Partikel berpori dari kalsium dan silikat menunjukkan potensi sebagai blok bangunan untuk sejumlah aplikasi seperti bahan penyembuhan diri, teknik jaringan tulang, kemudahan pengobatan, isolasi, keramik dan bahan bangunan, menurut para insinyur Universitas Rice yang menganalisa seberapa baik kinerja mereka pada skala nano.
Mengikuti karya sebelumnya untuk bahan penyembuhan diri dengan menggunakan blok bangunan berpori , ilmuwan bahan Rice University, Rouzbeh Shahsavari dan mahasiswa pascasarjana Sung Hoon Hwang membuat berbagai partikel berpori antara 150 dan 550 nanometer sebagai diameter – ribuan kali lebih kecil dari ketebalan selembar kertas- dengan pori-pori lebarnya sehelai DNA.
Mereka kemudian mengumpulkan partikel tersebut ke dalam lembaran berukuran mikron dan pelet untuk melihat seberapa baik susunan tersebut bertahan di bawah tekanan dari nanoindenter, yang menguji kekerasan material.
Hasil lebih dari 900 tes, yang dilaporkan bulan ini di American Chemical Society’s ACS Applied Materials and Interfaces , menunjukkan bahwa nanopartikel individu yang lebih besar adalah 120 persen lebih kuat daripada yang lebih kecil.
Ini, kata Shahsavari, adalah bukti nyata efek ukuran intrinsik di mana partikel antara 300 dan 500 nanometer mulai dari rapuh hingga lentur, atau lentur, meskipun semuanya memiliki pori-pori kecil yang sama yaitu 2 sampai 4 nanometer. Tapi mereka terkejut saat mengetahui bahwa ketika partikel besar yang sama ditumpuk, efek ukurannya tidak terbawa seluruhnya ke struktur yang lebih besar.
Prinsip-prinsip yang disampaikan seharusnya penting bagi ilmuwan dan insinyur yang mempelajari partikel nano sebagai blok bangunan di semua jenis fabrikasi bottom-up.
“Dengan blok bangunan berpori, mengendalikan hubungan antara porositas, ukuran partikel dan sifat mekanik sangat penting bagi integritas sistem untuk aplikasi apapun,” kata Shahsavari. “Dalam pekerjaan ini, kami menemukan ada transisi dari rapuh-sampai ke-ulet saat meningkatkan ukuran partikel sambil menjaga konstanta ukuran pori.
“Ini berarti bahwa partikel kalsium-silikat submikron yang lebih besar lebih tangguh dan lebih fleksibel dibandingkan dengan yang lebih kecil, sehingga lebih tahan terhadap kerusakan,” katanya.
Laboratorium tersebut menguji kumpulan rakitan diri dari bola kecil dan juga susunan yang dipadatkan di bawah setara dengan 5 ton di dalam silinder.
Empat ukuran bola diizinkan untuk dirakit sendiri ke dalam film. Ketika hal ini menjadi sasaran nanoindentation, para peneliti menemukan bahwa efek ukuran intrinsik sebagian besar hilang saat film menunjukkan kekakuan yang bervariasi. Dimana tipis, partikel berikat lemah hanya membuat jalan bagi induser untuk meresap ke substrat kaca. Dimana tebal, filmnya retak.
“Kami mengamati bahwa kekakuan meningkat sebagai fungsi kekuatan indentasi yang diterapkan karena karena kekuatan maksimum meningkat, hal itu akan menyebabkan densifikasi partikel lebih besar di bawah beban,” kata Shahsavari. “Pada saat beban puncak tercapai, partikelnya cukup padat dan mulai berperilaku secar kolektif sebagai film tunggal.”
Pelet terbuat dari nanospheres kompak dari berbagai diameter yang mengalami deformasi di bawah tekanan dari nanoindenter namun tidak menunjukkan bukti semakin keras di bawah tekanan, lapor mereka.
“Sebagai langkah berikutnya, kami tertarik untuk membuat konstruksi suprastruktur yang dirakit dengan baik dengan ukuran partikel merdu yang memungkinkan fungsionalitas yang mereka inginkan, seperti bongkar muat dengan sealant yang sensitif terhadap stimulus, sekaligus menawarkan integritas mekanik terbaik,” kata Shahsavari.
