Naukowcy opracowali nową strategię pomagającą w tworzeniu materiałów o unikalnych właściwościach optycznych, magnetycznych, elektronicznych i katalitycznych. Te struktury w kształcie wiatraczków samoorganizują się z nanocząstek i wykazują cechę zwaną chiralnością – jedną ze strategii natury polegającą na budowaniu złożoności struktur we wszystkich skalach, od cząsteczek po galaktyki.
Natura jest bogata w przykłady chiralności – DNA, cząsteczki organiczne, a nawet ludzkie ręce. Ogólnie rzecz biorąc, chiralność można zaobserwować w obiektach, które mogą mieć więcej niż jeden układ przestrzenny. Na przykład chiralność w cząsteczkach może przedstawiać się jako dwa ciągi atomów, które mają ten sam skład, ale każdy z nich ma „skręt” w lewo lub w prawo w swoich orientacjach przestrzennych, powiedzieli naukowcy.
Nowe badanie, prowadzone przez Qian Chen, profesora materiałoznawstwa i inżynierii na University of Illinois Urbana-Champaign oraz Nicholasa A. Kotova, profesora inżynierii chemicznej na University of Michigan, rozszerza chiralność na sieci złożone z bloków budulcowych nanocząstek do tworzenia nowych metamateriałów – materiałów zaprojektowanych do interakcji z otoczeniem w celu wykonywania określonych funkcji.
Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie Nature.
Wysiłki mające na celu stworzenie wielkoskalowych sieci chiralnych ze spontanicznego składania nanocząstek zakończyły się ograniczonym sukcesem. Chen powiedział, że poprzednie badania opierały się na szablonach, które tworzyły bardzo małe struktury, ograniczając ich użyteczność w projektowaniu metamateriałów.
„W nowym badaniu zainspirowały nas łamiące symetrię właściwości porowatych materiałów do składania rekonfigurowalnych sieci z nanocząstek w kształcie piramidy mniejszych niż 100 nanometrów” – powiedział były badacz ze stopniem doktora stanu Illinois, Shan Zhou, główny autor pracy, a obecnie profesor w South Dakota School of Mines and Technology. „Otrzymana siatka jest wystarczająco duża, aby można ją było zobaczyć gołym okiem”.
Chen powiedział, że poprzednie modele nie przewidywały sieci wiatraczka z chiralnością.
W tym badaniu prognozy oparte na teorii grafów i obliczeniach opracowane przez doktorantów z Kotowa i Michigan, Ju Lu i Ji-Young Kim, przewidziały – ku ich zaskoczeniu – że struktura sieci wiatraczka, choć z natury achiralna, staje się chiralna na podłożu.
„Nowa struktura sieci jest fascynująca z perspektywy badawczej, ponieważ otwiera wiele nowych, wielopłaszczyznowych możliwości badania ich właściwości” – powiedział Kotov.
Technika mikroskopii elektronowej Chen w fazie ciekłej – która, jak mówi, jest podobna do „małego akwarium do obserwacji samoorganizacji nanocząstek” – odegrała kluczową rolę w tym badaniu.
Naukowcy stwierdzili jednak, że stworzenie tej struktury nie było dziełem przypadku.
“Modele ilościowe okazały się dobrze dopasowane do dynamicznego procesu składania obserwowanego w nanoakwarium mikroskopu elektronowego w fazie ciekłej” – powiedział Jiahui Li, doktorant z Illinois i współautor badania.
“Mikroskopia elektronowa w fazie ciekłej pozwoliła nam jeszcze bardziej rozwinąć zespół supersieci” – powiedział Chen.
„Ponieważ możemy obserwować interakcje nanocząstek i manipulować nimi w czasie rzeczywistym, możemy precyzyjnie dostroić ich ruchy, aby stworzyć bardzo skomplikowany projekt wiatraczka” – powiedział Li.
Oprócz technik mikroskopii elektronowej w fazie ciekłej ultraszybki mikroskop elektronowy w Narodowym Laboratorium Argonne Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych umożliwił unikalne zrozumienie właściwości optycznych samoorganizujących się supersieci w skali nanometrowej.
„Nikt nie był w stanie bezpośrednio zobaczyć chiralnych reakcji obiektów na tak małej długości przy użyciu innych technik” – powiedział Haihua Liu, naukowiec z Centrum Materiałów Nanoskalowych w Argonne.
Zespół przewiduje, że ta platforma obrazowania będzie wykorzystywana do charakteryzowania szerokiej gamy nanocząstek i samoorganizujących się struktur.
„Jako teoretyk zajmujący się wszystkimi rzeczami nanocząsteczkowymi, zawsze interesowałem się tym, jak złożyć układy nanocząstek, które są chiralne” – powiedział Alex Travesset, profesor z Iowa State University, który wykonał obliczenia geometryczne dla sieci wiatraczka. „Interesujące zachowania sieci wiatraczków mogą wykraczać poza ich reakcje chiroptyczne”.
Kai Sun, profesor z Michigan i współautor badania, powiedział, że kraty wiatraczka mogą rekonfigurować swoje struktury, co jest potencjalnie przydatne na przykład w projektowaniu hełmów bojowych i samolotów.
Naukowcy przewidują również wykorzystanie tej nowej strategii do tworzenia innych chiralnych metapowłok w oparciu o istniejącą bibliotekę syntetycznie dostępnych nanocząstek, co umożliwi bogatą przestrzeń projektową metastrukturalnych powierzchni o aktywności chiroptycznej i właściwościach mechanicznych.
„Uważamy, że ta chiralna metoda składania oparta na podłożu może przynieść korzyści całej społeczności badawczej nanomateriałów” – powiedział Kotov.
Chen jest również powiązany z Laboratorium Badań Materiałowych, chemią, inżynierią chemiczną i biomolekularną, Instytutem Biologii Genomicznej Carla R. Woese oraz Instytutem Zaawansowanej Nauki i Technologii Beckmana na Uniwersytecie I.
Biuro Badań Marynarki Wojennej wspiera te badania za pośrednictwem Multidyscyplinarnej Uniwersyteckiej Inicjatywy Badawczej.