Nanoclusterele se autoorganizează în ansambluri ierarhice la scară centimetrică

Credit: Pixabay/CC0 Domeniu public

Natura poate ura golul, dar cu siguranță iubește structura. Ansambluri complexe, auto-organizate, se găsesc în lumea naturală, de la molecule de ADN cu dublu helix până la cristale fotonice care fac aripile fluturilor atât de colorate și irizate.

Un proiect condus de Cornell a creat nanoclustere sintetice care pot imita această auto-asamblare ierarhică de la nanometru la centimetru, acoperind șapte ordine de mărime. Filmele subțiri sintetice rezultate au potențialul de a servi ca un sistem model pentru a explora sistemele biomimetice ierarhice și funcțiile avansate viitoare.

Lucrarea grupului, „Multiscale Hierarchical Structures from a Nanocluster Mesophase”, publicată pe 14 aprilie în Materiale naturale.

Anterior, cel mai mare obstacol în calea creării acestui tip de nanomaterial sintetic a fost lipsa blocurilor de construcție la scară nanometrică cu versatilitatea de a interacționa pe mai multe scale de lungime, permițându-le să se organizeze în structuri complexe, așa cum se găsesc în biomolecule.

Așadar, o echipă condusă de autorii co-principali Richard Robinson, profesor asociat de știința materialelor și inginerie la Colegiul de Inginerie, și Tobias Hanrath, profesor la Școala Smith de Inginerie Chimică și Biomoleculară, a apelat la sulfura de cadmiu, un compus dovedit. material real pentru cercetarea nanoparticulelor.

Spre deosebire de eforturile anterioare de a sintetiza compusul, grupul a realizat o versiune sintetică cu concentrație mare care a folosit foarte puțin solvent. Procesul a produs „clustere de dimensiuni magice” de 57 de atomi, lungi de aproximativ 1,5 nanometri. Fiecare dintre aceste nanoparticule avea un înveliș de liganzi – molecule speciale de legare – care puteau interacționa între ele în așa fel încât să formeze filamente lungi de câțiva microni și lățime de sute de nanometri. Filamentele au fost „ornate periodic cu aceste aglomerări de dimensiuni magice, ca o autostradă de mașini, cu o distanță perfectă între ele”, potrivit Robinson.

„Dacă te uiți la partea din față a filamentului, în centru este organizat radial și structurat hexagonal”, a spus el. „Și pentru că aceste filamente structurate au încurcături atractive, se dovedește că atunci când sunt uscate în condițiile potrivite, se autoasamblează cu control pe termen lung.”

În mod remarcabil, controlând cu atenție geometria evaporării, filamentele s-au răsucit în cabluri mai mari, lungi de sute de microni, iar cablurile au fost apoi împachetate și aliniate în benzi foarte ordonate, rezultând în cele din urmă o peliculă subțire care este modelată la scari centimetrice.

“De obicei, nu poți sintetiza ceva care are o organizare ierarhică de la nanometri până la șapte ordine de mărime mai mare. Cred că acesta este cu adevărat sosul special”, a spus Robinson. „Ansamblurile imită multe produse naturale interesante – mineralizare naturală, fotonica naturală – lucruri care apar în natură pe care nu am reușit să le reproducem cu succes în laborator”.

Amestecul de interacțiuni organice și anorganice oferă clusterelor de dimensiuni magice capacitatea de a crea filme cu structurare periodică perfectă. Faptul că filmul subțire poate arăta întregul spectru al unui curcubeu, lucru demonstrat de cercetători, este dovada structurii sale impecabile.

„Oamenii probabil nu au văzut asta înainte, deoarece majoritatea sintezelor au fost făcute la concentrații scăzute, așa că aveți o mulțime de solvent. Ei nu au aceleași interacțiuni ligand-ligand”, a spus el. -declară el. „Am schimbat asta. Am mutat scara la un clic distanță de zecimală și am creat această sinteză fără solvenți.”

Unul dintre cele mai interesante aspecte ale filmului de nanomaterial este că prezintă proprietăți optice chirale – absorbția nesimetrică a luminii polarizate – care este probabil să se manifeste la nivel de nanoparticule, iar această caracteristică este amplificată la scara l macroscopică. Filmele subțiri au, de asemenea, asemănări surprinzătoare cu cristalele lichide.

Pentru a înțelege mai bine comportamentul de auto-organizare, Robinson și Hanrath au consultat un grup de colaboratori.

Lena Kourkoutis, profesor asociat de fizică aplicată și inginerie, a făcut microscopia electronică care a permis echipei să vadă unde se aflau nanoparticulele în filamente. Julia Dshemuchadse, profesor asistent de știința materialelor și inginerie, a teoretizat regulile care guvernează asamblarea și stabilitatea filamentului. Cercetătorii de la Universitatea din Toronto și de la Institutul de Tehnologie Rochester au estimat interacțiunile dintre dipolii electrici care orientează clusterele și au dezvoltat un model teoretic care a arătat de ce metoda de evaporare a făcut ca nanoclusterele să formeze un film ca fiind perfect periodic, respectiv.

Descoperirea remarcabilelor structuri multi-scale deschide noi căi pentru dezvoltarea tehnologiilor care profită de proprietățile lor chiroptice emergente.

„Interacțiunile unice lumină-materie ale acestor metamateriale chiroptice pot fi utilizate pentru o serie de aplicații potențiale, de la detectarea, cataliză și detectoare de lumină polarizată circulară până la perspective mai îndepărtate în spintronica, calculul cuantic și holografie”, a spus Hanrath.


Cercetătorii creează nanoclustere care imită biomoleculele


Mai multe informatii:
Haixiang Han și colab., Structuri ierarhice multi-scale ale unei mezofaze de nanocluster, Materiale naturale (2022). DOI: 10.1038/s41563-022-01223-3

Furnizat de Universitatea Cornell

Citat: Nanoclusters se auto-organizează în ansambluri ierarhice la scară centimetrică (2022, 22 aprilie) preluat la 23 aprilie 2022 de la https://phys.org/news/2022-04-nanoclusters-self-organize-centimeter-scale-hierarchical.html

Acest document este supus dreptului de autor. Cu excepția utilizării loiale în scopuri de studiu sau cercetare privată, nicio parte nu poate fi reprodusă fără permisiunea scrisă. Conținutul este oferit doar cu titlu informativ.

Add Comment