Forskere opdager elektronækvivalenter i kolloide systemer

Atomer har et positivt ladet center omgivet af en sky af negativt ladede partikler. Denne type arrangement, det viser sig, kan også forekomme på et mere makroskopisk niveau, give ny indsigt i naturen af, hvordan materialer dannes og interagerer.

I en ny undersøgelse fra det amerikanske energiministeriums (DOE) Argonne National Laboratory, videnskabsmænd har undersøgt den indre struktur af et materiale kaldet en kolloid krystal, som består af et højt ordnet array af større og mindre partikler spredt i regelmæssige arrangementer. En større viden om, hvordan kolloide krystaller er opbygget og opfører sig, kunne hjælpe forskerne med at bestemme de applikationer, som de er bedst egnede til, som fotonik.

I banebrydende forskning skitseret i et nyligt nummer af Videnskab , videnskabsmænd tøjrede mindre partikler til større ved hjælp af DNA, giver dem mulighed for at bestemme, hvordan de mindre partikler fyldtes i områderne omkring de større. Når de brugte partikler så små som 1,4 nanometer - ekstremt små for kolloide partikler - observerede forskere en spændende effekt:De små partikler strejfede rundt og bestilte regelmæssigt større partikler i stedet for at forblive låst på en ordnet måde.

På grund af denne adfærd, de kolloide krystaller kunne designes til at føre til en række nye teknologier inden for optik, katalyse, og medicinafgivelse. De små partikler har potentialet til at fungere som budbringere, bærer andre molekyler, elektrisk strøm eller information fra den ene ende af en krystal til en anden.

"De mindre partikler fungerer i det væsentlige som en lim, der holder det større partikelarrangement sammen, " sagde Argonne røntgenfysiker og studieforfatter Byeongdu Lee. "Med kun et par limperler, den bedste placering til at placere dem er i hjørnerne mellem de større partikler. Hvis du tilføjer flere limperler, de ville flyde over til kanterne."

De små partikler, der sidder på hjørnerne, har en tendens til at forblive stille - en konfiguration, som Lee kalder lokalisering. De ekstra partikler, der er på kanterne, har mere bevægelsesfrihed, bliver udlokaliseret. Ved at være bundet til større partikler og med evnen til at blive både lokaliseret og delokaliseret, de små partikler fungerer som "elektronækvivalenter" i krystalstrukturen. Delokalisering af små partikler, som forfatterne kaldte metallicitet, var hidtil ikke blevet observeret i kolloide partikelsamlinger.

Derudover da de små partikler delokaliseres delvist, effekten skaber et materiale, der udfordrer de fleste traditionelle definitioner af en krystal, ifølge Lee.

"Normalt, når du ændrer sammensætningen af ​​en krystal, strukturen ændrer sig også, sagde han. Her, du kan have et materiale, der er i stand til at bevare sin overordnede struktur med forskellige proportioner af dets komponenter."

For at afbilde strukturen af ​​de kolloide krystaller, Lee og hans kollegaer brugte røntgenstrålerne med høj lysstyrke leveret af Argonnes Advanced Photon Source (APS), en DOE Office of Science brugerfacilitet. APS tilbød en vigtig fordel ved, at det tillod forskerne at observere krystallens struktur direkte i opløsning. "Dette system er kun stabilt i løsningen, når det tørrer, strukturen deformeres, " sagde Lee.