Teknik afslører, hvordan krystaller dannes på overflader

Krystallisationsprocessen, hvor atomer eller molekyler stiller sig op i ordnede arrays som soldater i formation, er grundlaget for mange af de materialer, der definerer det moderne liv, herunder silicium i mikrochips og solceller. Men mens mange nyttige anvendelser for krystaller involverer deres vækst på faste overflader (i stedet for i opløsning), der har været mangel på gode værktøjer til at studere denne form for vækst.

Nu, et team af forskere ved MIT og Draper har fundet en måde at reproducere væksten af ​​krystaller på overflader, men i en større skala, der gør processen meget lettere at studere og analysere. Den nye tilgang er beskrevet i et papir i tidsskriftet Naturmaterialer , af Robert Macfarlane og Leonardo Zomberg ved MIT, og Diana Lewis Ph.D. '19 og David Carter på Draper.

I stedet for at samle disse krystaller fra faktiske atomer, nøglen til at gøre processen nem at observere og kvantificere var brugen af ​​"programmerbare atomækvivalenter, " eller PAE'er, Macfarlane forklarer. Dette virker, fordi måden, hvorpå atomer stiller sig op i krystalgitre, udelukkende er et spørgsmål om geometri og ikke er afhængige af de specifikke kemiske eller elektroniske egenskaber af dets bestanddele.

Holdet brugte sfæriske nanopartikler af guld, belagt med særligt udvalgte enkeltstrenge af genetisk manipuleret DNA, giver partiklerne nogenlunde udseende som Koosh-kugler. Enkelte DNA-strenge har den iboende egenskab at binde sig tæt til de tilsvarende gensidige strenge, at danne den klassiske dobbelthelix, så denne konfiguration giver en sikker måde at få partiklerne til at justere sig på netop den ønskede måde.

"Hvis jeg sætter en meget tæt børste af DNA på partiklen, det vil skabe så mange bånd med så mange nærmeste naboer, som det kan, "Macfarlane siger." Og hvis du designer alt korrekt og behandler det korrekt, de vil danne ordnede krystalstrukturer." Mens den proces har været kendt i nogle år, dette arbejde er det første, der anvender dette princip til at studere væksten af ​​krystaller på overflader.

"At forstå, hvordan krystaller vokser opad fra en overflade, er utrolig vigtigt for en masse forskellige felter, " siger han. Halvlederindustrien, for eksempel, er baseret på væksten af ​​store enkeltkrystallinske eller multikrystallinske materialer, der skal kontrolleres med stor præcision, alligevel er detaljerne i processen svære at studere. Det er derfor, brugen af ​​overdimensionerede analoger som PAE'erne kan være en sådan fordel.

PAE'erne, han siger, "krystalliseres på nøjagtig de samme veje, som molekyler og atomer gør. Og så er de et meget flot proxy -system til at forstå, hvordan krystallisering sker." Med dette system, DNA-egenskaberne dikterer, hvordan partiklerne samles og den 3D-konfiguration, de ender i.

De designede systemet således, at krystallerne kerner og vokser fra en overflade og "ved at skræddersy interaktionerne mellem partikler, og mellem partiklerne og den DNA-coatede overflade, vi kan diktere størrelsen, formen, orienteringen og graden af ​​anisotropi (retningsbestemmelse) i krystallen, "Siger Macfarlane.

"Ved at forstå den proces, dette gennemgår for faktisk at danne disse krystaller, vi kan potentielt bruge det til at forstå krystalliseringsprocesser generelt, " tilføjer han.

Han forklarer, at ikke kun de resulterende krystalstrukturer er omkring 100 gange større end de faktiske atomare, men deres dannelsesprocesser er også meget langsommere. Kombinationen gør processen meget lettere at analysere i detaljer. Tidligere metoder til karakterisering af sådanne krystallinske strukturer viste kun deres endelige tilstande, dermed mangler kompleksiteter i dannelsesprocessen.

"Jeg kunne ændre DNA -sekvensen. Jeg kan ændre antallet af DNA -tråde i partiklen. Jeg kan ændre partikelstørrelsen, og jeg kan justere hver af disse individuelle håndtag uafhængigt, " siger Macfarlane. "Så hvis jeg ville være i stand til at sige, OKAY, Jeg antager, at denne særlige struktur kunne blive begunstiget under disse forhold, hvis jeg tunede energien på en sådan måde, det er et meget lettere system at studere med PAE'erne, end det ville være med atomerne selv. "

Systemet er meget effektivt, han siger, men DNA-strenge, der er modificeret på en måde, der muliggør vedhæftning til nanopartikler, kan være ret dyrt. Som et næste skridt, Macfarlane-laboratoriet har også udviklet polymerbaserede byggeklodser, der viser lovende at replikere de samme krystallisationsprocesser og materialer, men kan laves billigt i multigram skala.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.