Kemikere skaber nyt kvasikrystalmateriale ud fra nanopartikelbyggesten

Den mærkelige klasse af materialer kendt som kvasikrystaller har fået et nyt medlem. I en avis offentliggjort torsdag, 20. december, i Videnskab , forskere fra Brown University beskriver et kvasikrystallinsk supergitter, der selv samles af en enkelt type nanopartikelbyggesten.

Dette er den første endelige observation af et kvasikrystallinsk supergitter dannet af en enkelt komponent, siger forskerne. Opdagelsen giver ny indsigt i, hvordan disse mærkelige krystallignende strukturer kan opstå.

"Enkeltkomponent kvasikrystalgitter er blevet forudsagt matematisk og i computersimuleringer, men var ikke blevet demonstreret før dette, " sagde Ou Chen, en assisterende professor i kemi hos Brown og avisens seniorforfatter. "Det er en fundamentalt ny type kvasikrystal, og vi har været i stand til at finde ud af reglerne for at lave det, hvilket vil være nyttigt i den fortsatte undersøgelse af kvasikrystalstrukturer."

Quasikrystalmaterialer blev først opdaget i 1980'erne af kemikeren Dan Shechtman, som i 2011 blev tildelt Nobelprisen for opdagelsen. I modsætning til krystaller, som består af ordnede mønstre, der gentager sig, kvasikrystaller er ordnet, men deres mønstre gentages ikke. Kvasikrystaller har også symmetrier, der ikke er mulige i traditionelle krystaller. Normale krystaller, for eksempel, kan have tredobbelte symmetrier, der fremkommer fra gentagne trekanter eller firefoldssymmetri fra gentagne terninger. To- og seksdobbelte symmetrier er også mulige. Men kvasikrystaller kan have eksotiske fem-, 10- eller 12-fold symmetrier, som alle er "forbudte" i normale krystaller.

De første kvasikrystallinske materialer, der blev opdaget, var metallegeringer, normalt aluminium med et eller flere andre metaller. Indtil nu, disse materialer har fundet anvendelse som non-stick belægninger til stegepander og anti-korrosive belægninger til kirurgisk udstyr. Men der har været stor interesse for at lave nye typer kvasikrystalmaterialer - inklusive materialer lavet af selvsamlende nanopartikler.

Chen og hans kolleger havde ikke oprindeligt sat sig for at forske i kvasikrystaller. Meget af Chens arbejde har handlet om at bygge bro mellem nanoskala- og makroskalaverdenen ved at bygge overbygninger ud af nanopartikelbyggesten. For omkring to år siden, han designede en ny type nanopartikelbyggesten - en tetraedrisk (pyramideformet) kvanteprik. Hvorimod det meste af forskningen i at bygge strukturer fra nanopartikler er blevet udført med sfæriske partikler, Chens tetraedre kan pakkes tættere og potentielt danne mere komplekse og robuste strukturer.

Et andet nøgletræk ved Chens partikler er, at de er anisotrope, hvilket betyder, at de har forskellige egenskaber afhængigt af deres orientering i forhold til hinanden. En side af hver pyramidepartikel har en anden ligand (et bindemiddel) end alle andre flader. Ansigter med lignende ligander har en tendens til at binde sig til hinanden, når partiklerne samles i større strukturer. Den rettede binding giver mere interessante og komplekse strukturer sammenlignet med partikler, der mangler anisotropi.

I forskning offentliggjort for nylig i tidsskriftet Natur , Chen og hans team demonstrerede en af ​​de mest komplekse overbygninger skabt til dato fra nanopartikelbyggesten. I det arbejde, overbygningerne blev samlet, mens partiklerne interagerede med et fast substrat. Til dette seneste arbejde, Chen og hans kolleger ønskede at se, hvilke slags strukturer partiklerne ville danne, når de blev samlet oven på en væskeoverflade, hvilket giver partiklerne flere frihedsgrader, når de selv samler sig.

Holdet var chokeret over at opdage, at den resulterende struktur faktisk var et kvasikrystallinsk gitter.

"Da jeg indså, at det mønster, jeg så, var en kvasikrystal, Jeg mailede Ou og sagde 'Jeg tror, ​​jeg har fundet noget super-godt, '" sagde Yasutaka Nagaoka, en postdoktor i Chens laboratorium og hovedforfatteren af ​​det nye papir. "Det var virkelig spændende."

Ved hjælp af transmissionselektronmikroskopi, forskerne viste partiklerne samlet i diskrete dekagoner (10-sidede polygoner), som syede sig sammen for at danne et kvasikrystalgitter med 10-fold rotationssymmetri. Den 10-dobbelte symmetri, forbudt i almindelige krystaller, var et afslørende tegn på en kvasikrystallinsk struktur.

Forskerne var også i stand til at spå om de "regler", som deres struktur dannedes efter. Mens dekagoner er de primære enheder i strukturen, de er ikke – og kan ikke være – de eneste enheder i strukturen. At danne en kvasikrystal er lidt som at flisebelægge et gulv. Fliserne skal passe sammen på en måde, der dækker hele gulvet uden at efterlade huller. Det kan ikke gøres ved kun at bruge dekagoner, fordi der ikke er nogen måde at passe dem sammen, der ikke efterlader huller. Andre former er nødvendige for at fylde hullerne.

Det samme gælder for denne nye kvasikrystalstruktur - de kræver sekundære "fliser", der kan udfylde hullerne mellem dekagonerne. Forskerne fandt ud af, at det, der gjorde det muligt for deres struktur at fungere, er, at dekagonerne har fleksible kanter. Når det er nødvendigt, en eller flere af deres punkter kunne udjævnes. Ved at gøre det, de kunne forvandle sig til polygoner med ni, otte, syv, seks eller fem sider – hvad end der krævedes for at udfylde mellemrummet mellem dekagonerne.

"Disse dekagoner er i dette begrænsede rum, som de skal dele fredeligt, " sagde Chen. "Så de gør det ved at gøre deres kanter fleksible, når de har brug for det."

From that observation, the researchers were able to develop a new rule for forming quasicrystals that they call the "flexible polygon tiling rule." That rule, Chen says, will be useful in continued study of the relatively new area of quasicrystals.

"We think this work can inform research in material science, kemi, mathematics and even art and design, " sagde Chen.