Ingeniører opdager balancegang i nanoskala, der afspejler kræfter, der arbejder i levende systemer

(PhysOrg.com) -- En delikat balance mellem atomkræfter kan udnyttes til at lave nanopartikelsuperklynger, der er ensartede i størrelse --- en egenskab, der er vigtig for mange nanoteknologiske applikationer, men svær at opnå, Det siger forskere fra University of Michigan.

Den samme type kræfter er i gang med at bringe vira's byggesten sammen, og de uorganiske superklyngestrukturer i denne forskning ligner på mange måder vira.

U-M kemiingeniørprofessorerne Nicholas Kotov og Sharon Glotzer ledede forskningen. Resultaterne er nyligt offentliggjort online i Natur nanoteknologi .

I et andet tilfælde af kræfter, der opfører sig på uventede måder på nanoskala, de opdagede, at hvis du starter med små nanoskala byggeklodser, der er varierede nok i størrelse, den elektrostatiske frastødningskraft og van der Waals tiltrækningskraft vil balancere hinanden og begrænse væksten af ​​klyngerne. Denne ligevægt muliggør dannelsen af ​​klynger, der er ensartede i størrelse.

"Gennembruddet her er, at vi har opdaget en generisk mekanisme, der får disse nanopartikler til at samle sig i næsten perfekte strukturer, " sagde Glotzer. "Den fysik, vi ser, er ikke speciel for dette system, og kunne udnyttes med andre materialer. Nu hvor vi ved, hvordan det fungerer, vi kan designe nye byggeklodser, der vil samles på samme måde."

De uorganiske superklynger --- teknisk kaldet "suprapartikler" --- som forskerne skabte ud af rødt, pulverformigt cadmiumselenid er ikke kunstige vira. Men de deler mange egenskaber med de enkleste livsformer, inklusive størrelse, form, kerne-skal struktur og evnerne til både at samle og adskille, sagde Kotov.

"At have disse funktionaliteter i et totalt uorganisk system er ret bemærkelsesværdigt, " sagde Kotov. "Der er potentiale til at kombinere dem med de gavnlige egenskaber ved uorganiske materialer såsom miljømæssig modstandsdygtighed, lysadsorption og elektrisk ledningsevne."

Zhiyong Tang, en samarbejdende professor ved National Center of Nanoscience and Technology i Kina, sagde, "Det er også meget imponerende, at sådanne suprapartikler kan bruges yderligere som byggestenene til at fremstille tredimensionelle ordnede samlinger. Denne sekundære selvsamlingsadfærd giver en gennemførlig måde at opnå storskala nanostrukturer, der er vigtige for praktisk anvendelse."

Kotov arbejder i øjeblikket på at "avle" disse suprapartikler for at producere syntetiske brændstoffer ud fra kuldioxid. Arbejdet har også anvendelser inden for lægemiddellevering og solcelleforskning, og det kan dramatisk reducere omkostningerne ved at fremstille store mængder suprapartikler.

"Ved at replikere de selvsamlingsprocesser, der tillader levende organismer at vokse og hele, vi kan forenkle produktionen af ​​mange nyttige nanostrukturerede systemer fra halvledere og metaller så meget, at de kan laves i ethvert gymnasielaboratorium, " sagde Kotov.