Selvsamlende strukturer åbner døren til nye klasse materialer

Forskere ved University of Illinois og Northwestern University har demonstreret bio-inspirerede strukturer, der selv samles af simple byggesten:kugler.

De spiralformede "supermolekyler" er lavet af små kolloide kugler i stedet for atomer eller molekyler. Lignende metoder kunne bruges til at fremstille nye materialer med funktionaliteten af ​​komplekse kolloide molekyler. Holdet vil offentliggøre sine resultater i 14. januar-udgaven af ​​tidsskriftet Videnskab .

"Vi kan nu lave en helt ny klasse af smarte materialer, som åbner døren til ny funktionalitet, som vi ikke kunne forestille os før, " sagde Steve Granick, Grundlægger professor i ingeniørvidenskab ved University of Illinois og professor i materialevidenskab og teknik, kemi, og fysik.

Granicks team udviklede små latexkugler, døbt "Janus sfærer, "som tiltrækker hinanden i vand på den ene side, men frastøder hinanden på den anden side. Den dobbelte natur er det, der giver sfærerne deres evne til at danne usædvanlige strukturer, på samme måde som atomer og molekyler.

I rent vand, partiklerne spredes fuldstændigt, fordi deres ladede sider frastøder hinanden. Imidlertid, når der tilsættes salt til opløsningen, saltionerne blødgør frastødningen, så kuglerne kan nærme sig tilstrækkelig tæt til, at deres hydrofobe ender kan tiltrækkes. Tiltrækningen mellem disse ender trækker sfærerne sammen i klynger.

Ved lave saltkoncentrationer, små klynger af kun få partikler dannes. På højere niveauer, der dannes større klynger, til sidst selvsamlende til kæder med en indviklet spiralformet struktur.

"Ligesom atomer, der vokser til molekyler, disse partikler kan vokse til suprakolloider, " sagde Granick. "Sådanne veje ville være meget konventionelle, hvis vi talte om atomer og molekyler, der reagerede kemisk med hinanden, men folk har ikke indset, at partikler også kan opføre sig på denne måde."

Holdet designede kugler med den helt rigtige mængde tiltrækning mellem deres hydrofobe halvdele, så de ville klæbe til hinanden, men stadig være dynamiske nok til at tillade bevægelse, omlægning, og klyngevækst.

"Mængden af ​​klæbrighed betyder virkelig meget. Du kan ende med noget, der er forstyrret, bare små klynger, eller hvis kuglerne er for klistrede, du ender med et kugleformet rod i stedet for disse smukke strukturer, " sagde kandidatstuderende Jonathan Whitmer, medforfatter til papiret.

En af fordelene ved holdets supermolekyler er, at de er store nok til at observere i realtid ved hjælp af et mikroskop. Forskerne var i stand til at se Janus-sfærerne komme sammen, og klyngerne vokse - uanset om de er en sfære ad gangen eller ved at smelte sammen med andre små klynger - og omarrangere i forskellige strukturelle konfigurationer, som holdet kalder isomerer.

"Vi designer disse smarte materialer til at falde i nyttige former, som naturen ikke ville vælge, " sagde Granick.

Overraskende nok, teoretiske beregninger og computersimuleringer af Erik Luijten, Northwestern University professor i materialevidenskab og teknik og ingeniørvidenskab og anvendt matematik, og Whitmer, en elev i sin gruppe, viste, at de mest almindelige spiralformede strukturer ikke er de mest energimæssigt gunstige. Hellere, sfærerne samles på en måde, der er den mest kinetisk gunstige – dvs. den første gode pasform, de støder på.

Næste, forskerne håber at fortsætte med at udforske de kolloide egenskaber med henblik på at udvikle mere unaturlige strukturer. Janus-partikler af forskellig størrelse eller form kunne åbne døren til at bygge andre supermolekyler og til større kontrol over deres dannelse.

"Disse særlige partikler har foretrukne strukturer, men nu hvor vi indser den generelle mekanisme, vi kan anvende det på andre systemer – mindre partikler, forskellige interaktioner – og prøv at konstruere klynger, der skifter i form, " sagde Granick.