Praktikanten an der Spitze neuer Technologien

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Die Praktikanten des MIT Materials Research Laboratory (MRL) haben diesen Sommer ein breites Spektrum an Herausforderungen bewältigt und mit Materialien gearbeitet, die so weich wie Seide bis so hart wie Eisen sind, und bei Temperaturen von so niedrig wie der von flüssigem Helium (-452,47 Grad Fahrenheit) bis zu so hoch das von geschmolzenem Kupfer (1.984 F).

Sommerwissenschaftler und andere Praktikanten nahmen über das Materials Research Science and Engineering Center des MRL mit Unterstützung der National Science Foundation, der AIM Photonics Academy, des MRL Collegium und des Guided Academic Industry Network (GAIN)-Programms am MIT-Campus teil.

Detektoren für den mittleren Infrarotbereich

Simon Egner von der University of Illinois in Urbana-Champaign stellte Blei-Zinn-Tellurid-Proben her, um Licht im mittleren Infrarotbereich bei Wellenlängen von 4 bis 7 Mikrometern für integrierte photonische Anwendungen zu erkennen. Egner maß mehrere Materialeigenschaften der Proben, darunter die Konzentration und Mobilität der Elektronen. „Eine Sache, die wir uns kürzlich ausgedacht haben, ist die Zugabe von Bleioxid, um das Rauschen zu verringern, das bei der Lichterfassung mit unseren Detektoren auftritt“, sagt Egner.

Blei-Zinn-Tellurid ist eine Legierung aus Blei-Tellurid und Zinn-Tellurid, erklärt Peter Su, ein Doktorand der Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften im Labor der leitenden Forschungswissenschaftlerin des MIT Materials Research Laboratory, Anuradha Agarwal. „Wenn in Ihrem Material bereits viele Träger vorhanden sind, entsteht viel zusätzliches Rauschen, viel Hintergrundsignal, über dem es wirklich schwierig ist, die neuen Träger zu erkennen, die durch das auf Ihr Material treffende Licht erzeugt werden“, sagt Su. „Wir versuchen, diesen Geräuschpegel zu senken, indem wir die Trägerkonzentration verringern, und wir versuchen, dies zu erreichen, indem wir dieser Legierung Bleioxid hinzufügen.“

Dünne Filme für die Photonik

Der Sommerwissenschaftler Alvin Chang von der Oregon State University hat dünne Chalkogenidfilme mit nichtlinearen Eigenschaften für Photonikanwendungen entwickelt. Er arbeitete mit dem Postdoktoranden Samuel Serna im Labor des außerordentlichen Professors für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen Juejun Hu. Chang variierte die Dicke zweier unterschiedlicher Zusammensetzungen, einer aus Germanium, Antimon und Schwefel (GSS) und der anderen aus Germanium, Antimon und Selen (GSSE), und erzeugte so einen Gradienten bzw. ein Verhältnis zwischen beiden über die Länge des Films.

„Das GSS und das GSSE haben beide unterschiedliche Vor- und Nachteile“, erklärt Chang. „Wir hoffen, dass wir durch die Zusammenführung der beiden in einem Film ihre Vor- und Nachteile so optimieren können, dass sie einander ergänzen.“

Diese als Chalkogenidgläser bekannten Materialien können für die Infrarotsensorik und -bildgebung verwendet werden. Wer mehr über Changs Arbeit erfahren möchte, kann sich dieses Video ansehen.

Nanokomposit-Anordnung

Sowohl Kimberly Stieglitz, Professorin für Chemie und Biotechnologie am Roxbury Community College, als auch Credoritch Joseph, Student am Roxbury Community College, arbeiteten im Labor des Assistenzprofessors für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen Robert J. Macfarlane. Das Macfarlane Lab pfropft DNA auf Nanopartikel, die eine präzise Kontrolle über die Selbstorganisation molekularer Strukturen ermöglichen. Das Labor entwickelt außerdem eine neue Klasse chemischer Bausteine, die es Nanocomposite Tectons (NCTs) nennt und die neue Möglichkeiten für die Selbstorganisation von Verbundmaterialien bieten.

Joseph lernte den mehrstufigen Prozess der Herstellung selbstorganisierter DNA-Nanopartikel-Aggregate kennen und nutzte die von ihm vorbereiteten, um die Stabilität der Aggregate bei Einwirkung verschiedener Chemikalien zu untersuchen. Stieglitz erstellte NCTs, die aus Clustern von Goldnanopartikeln mit angelagerten Polymeren bestehen, und untersuchte deren Schmelzverhalten in Polymerlösungen. „Eigentlich handelt es sich um Nanopartikel, die über Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerke miteinander verbunden sind“, erklärt Stieglitz.

Stärkung von Verbundwerkstoffen für die Luft- und Raumfahrt

Abigail Nason von der University of Florida untersuchte im Labor von Brian L. Wardle, Professor für Luft- und Raumfahrt, die potenziellen Vorteile der Einbindung von Kohlenstoffnanoröhren in kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff [CFRP] über einen Prozess namens „Nanostitching“.

Bündel aus Kohlenstoff-Mikrofasern, sogenannte Tows, werden zur Herstellung von Platten aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff in Luft- und Raumfahrtqualität verwendet. In Zusammenarbeit mit dem Doktoranden Reed Kopp erstellte Nason 3D-Scans von Verbundlaminatproben, um deren Struktur aufzudecken. Bereiche zwischen den Schichten des Laminats werden als interlaminare Region bezeichnet. Herkömmliche Verbundwerkstoffe haben in diesem interlaminaren Bereich keine Verstärkung, und Kohlenstoffnanoröhren sorgen in der Nanostich-Version für eine Faserverstärkung im Nanomaßstab.

Kopp weist darauf hin, dass die 3D-Scans trotz der hohen Auflösung, die zur Aufklärung einer komplizierten Architektur mikroskaliger Merkmale erforderlich ist, die Kohlenstoffnanoröhren nicht vom Epoxidharz unterscheiden können, da sie eine ähnliche Dichte und Elementzusammensetzung aufweisen. „Da sie Röntgenstrahlen auf ähnliche Weise absorbieren, können wir tatsächlich keine Unterschiede in der Röntgeninteraktion erkennen, die auf die Standorte verstärkender Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Wälder hinweisen würden, aber wir können visualisieren, wie sie die Form der interlaminaren Region beeinflussen, etwa wie sie es könnten.“ Drücken Sie die Fasern auseinander und verändern Sie die Form der inhärenten harzreichen Bereiche, die bei der Herstellung von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffschichten entstehen.“

Nason fügt hinzu: „Es ist wirklich interessant zu sehen, dass es nicht viele Informationen darüber gibt, wie Verbundwerkstoffe versagen und warum sie auf die Art und Weise versagen, wie sie es tun. Aber es ist wirklich cool und interessant, an der Spitze dieser neuen Technologie zu stehen und die Verbundschichten so genau betrachten und kritische Materialmerkmale im Mikromaßstab quantifizieren zu können, die das Versagen beeinflussen.“

Elektronische Materialien synthetisieren

Der Sommerwissenschaftler Michael Molinski von der University of Rhode Island und Bruce Quinn, Student am Roxbury Community College, arbeiteten im Labor des Assistenzprofessors für Materialwissenschaften und -technik Rafael Jaramillo. In Zusammenarbeit mit den Doktoranden Stephen Filippone und Kevin Ye stellten sowohl Molinski als auch Quinn feste Materialien her und stellten Pulver aus Verbindungen wie Bariumzirkoniumsulfid her, die aufgrund ihrer optischen und elektrischen Eigenschaften wünschenswert sind.

Bei diesem Verfahren werden die chemischen Bestandteile zu Pulvern in einem Quarzrohr unter Luftabschluss vermischt und versiegelt. Quinn, der erste Teilnehmer des GAIN-Programms, presste die Pulver heiß zu Pellets. Molinski züchtete auch Kristalle und beide untersuchten ihre Pulver mittels Röntgenbeugung.

Entwicklung von Multiple-Sklerose-Modellen

Der Sommerwissenschaftler Fernando Nieves Muñoz von der Universität von Puerto Rico in Mayagüez arbeitete im Labor von Krystyn Van Vliet, Michael (1949) und Sonja Koerner Professorin für Materialwissenschaften und -technik, an der Entwicklung mechanischer Modelle von Multiple-Sklerose-Läsionen (MS). . Nieves Muñoz arbeitete eng mit der Forscherin Anna Jagielska und der Chemieingenieurstudentin Daniela Espinosa-Hoyos zusammen.

„Wir versuchen, einen Weg zu finden, die Myelinreparatur bei MS-Patienten zu stimulieren, damit die neurologische Funktion wiederhergestellt werden kann. Um besser zu verstehen, wie die Remyelinisierung funktioniert, entwickeln wir Materialien auf Polymerbasis, um Modelle von MS-Läsionen zu konstruieren, die die mechanische Steifheit realer Läsionen im Gehirn nachahmen“, erklärt Jagielska.

Nieves Muñoz nutzte den stereolithografischen 3D-Druck, um vernetzte Polymere mit unterschiedlicher mechanischer Steifigkeit zu erzeugen, und führte Rasterkraftmikroskopie-Studien durch, um die Steifheit seiner Proben zu bestimmen. „Unser langfristiges Ziel ist es, diese Modelle von Läsionen und Hirngewebe zu nutzen, um Medikamente zu entwickeln, die die Myelinreparatur stimulieren können“, sagt Nieves Muñoz. „Als Maschinenbaustudent war es spannend, mit Menschen mit unterschiedlichem Hintergrund zu arbeiten und von ihnen zu lernen.“

Andere Praktikanten des MIT Materials Research Laboratory befassten sich mit Projekten wie supraleitenden Dünnfilmen, Quantenpunkten für die Solarenergie, rotierenden Teilchen mit Magnetismus, kohlenstoffaktivierten Seidenfasern, wasserbasierten Eisenflussbatterien und polymerbasierten Neurofasern.

Eine Version dieses Beitrags, einschließlich weiterer Erfolgsgeschichten von MRL-Sommerpraktikanten, erschien ursprünglich auf der Website des Materials Research Laboratory.

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