Forskere bruger elektrostatisk ladning til at samle partikler til materialer, der efterligner ædelsten, salt

Bruger kun elektrostatisk ladning, almindelige mikropartikler kan spontant organisere sig i højt ordnede krystallinske materialer - svarende til bordsalt eller opaler, ifølge en ny undersøgelse ledet af New York University kemikere og offentliggjort i Natur .

"Vores forskning kaster nyt lys over selvsamlingsprocesser, der kan bruges til at fremstille nye funktionelle materialer, " sagde Stefano Sacanna, lektor i kemi ved NYU og undersøgelsens seniorforfatter.

Selvsamling er en proces, hvor små partikler genkender hinanden og binder sig på en forudbestemt måde. Disse partikler samles og samles spontant til noget nyttigt, efter en udløsende hændelse, eller ændrede forhold.

En tilgang til programmering af partikler til at samles på en bestemt måde er at belægge dem med DNA-strenge; den genetiske kode instruerer partiklerne om, hvordan og hvor de skal bindes til hinanden. Imidlertid, fordi denne tilgang kræver en betydelig mængde DNA, det kan være dyrt og er begrænset til at lave meget små prøver.

I deres studie i Natur , forskerne tog en anden tilgang til selvsamling ved hjælp af en meget enklere metode. I stedet for at bruge DNA, de brugte elektrostatisk ladning.

Processen ligner det, der sker, når du blander salt i en gryde med vand, Sacanna forklarede. Når salt tilsættes vand, de bittesmå krystaller opløses i negativt ladede klorioner og positivt ladede natriumioner. Når vandet fordamper, de positivt og negativt ladede partikler rekombinerer til saltkrystaller.

"I stedet for at bruge atomære ioner som dem i salt, vi brugte kolloide partikler, som er tusindvis af gange større. Når vi blander de kolloide partikler sammen under de rigtige forhold, de opfører sig som atomære ioner og samler sig selv til krystaller, " sagde Sacanna.

Processen gør det muligt at fremstille store mængder materialer.

"Ved at bruge partiklernes naturlige overfladeladning, vi formåede at undgå at lave noget af den overfladekemi, der typisk kræves til en sådan omstændelig samling, giver os mulighed for nemt at skabe store mængder krystaller, " sagde Theodore Hueckel, postdoc ved NYU og undersøgelsens første forfatter.

Ud over at skabe saltlignende kolloide materialer, forskerne brugte selvsamling til at skabe kolloide materialer, der efterligner ædelstene - især, opaler. Opaler er iriserende og farverige, et resultat af deres indre krystallinske mikrostruktur og dens interaktion med lys. I laboratoriet, forskerne skabte deres reagensglasædelstene med meget lignende indre mikrostrukturer som opaler.

"Hvis du tager et stærkt forstørret billede af en opal, du vil se de samme små sfæriske byggeklodser opstillet på en regelmæssig måde, " tilføjede Hueckel.

Brug af elektrostatisk ladning til selvsamling gør det muligt for forskere både at efterligne materialer, der findes i naturen, men har også fordele ud over, hvad der naturligt forekommer. For eksempel, de kan justere størrelsen og formen af ​​de positivt og negativt ladede partikler, som giver mulighed for en bred vifte af forskellige krystallinske strukturer.

"Vi er inspireret af naturens ionkrystaller, men vi tror på, at vi vil bevæge os ud over deres strukturelle kompleksitet ved at bruge alle de designelementer, der er unikt tilgængelige for kolloide byggeklodser, " sagde Hueckel.