Forskere skaber nye mikropartikler, der selv samler sig som atomer til molekyler

Forskere har skabt nye slags partikler, 1/100 af diameteren af ​​et menneskehår, som spontant samler sig selv i strukturer, der ligner molekyler lavet af atomer. Disse nye partikler kommer sammen, eller "saml selv, " at danne strukturer i mønstre, der tidligere var umulige at lave og holde løfter for fremstilling af avancerede optiske materialer og keramik.

Metoden, beskrevet i det seneste nummer af tidsskriftet Natur , blev udviklet af et team af kemikere, kemiingeniører, og fysikere ved New York University (NYU), Harvard School of Engineering &Applied Sciences, Harvard Department of Physics, og Dow Chemical Company.

Metoden er centreret om at forbedre arkitekturen af ​​kolloider - små partikler suspenderet i et flydende medium. Kolloide dispersioner er sammensat af dagligdags ting som maling, mælk, gelatine, glas, og porcelæn, men deres potentiale til at skabe nye materialer forbliver stort set uudnyttet.

Tidligere, det var lykkedes for forskere at bygge rudimentære strukturer fra kolloider. Men evnen til at bruge kolloider til at designe og samle komplekse 3-dimensionelle strukturer, som er afgørende for design af avancerede optiske materialer, har været begrænset. Dette er, delvis, fordi kolloider mangler retningsbestemte bindinger, som er nødvendige for at kontrollere selvsamling af partikler samt for at øge kompleksiteten og samtidig bevare den strukturelle integritet af disse kreationer. Sådanne forsamlinger tjener som byggestenene i den naturlige verden - f.eks. atomer og molekyler - men de er sjældne i det kolloide domæne.

"Det, denne metode havde til formål at gøre, var at bruge naturens egenskaber for atomer og anvende dem på den kolloide verden, " forklarede NYU kemiprofessor Marcus Weck, en af ​​undersøgelsens medforfattere.

"Kemister har et helt periodisk system af atomer at vælge imellem, når de syntetiserer molekyler og krystaller, " tilføjede medforfatter Vinothan Manoharan, Lektor i kemiteknik og fysik ved Harvard. "Vi ønskede at udvikle et lignende 'konstruktionssæt' til fremstilling af molekyler og krystaller i større skala."

Ved udvikling af kolloider med sådanne egenskaber, forskerne konstruerede kemiske "plastre", der kan danne retningsbestemte bindinger, giver således mulighed for samling af 3-dimensionelle "gitre" med kun få forbindelser mellem partikler, et vigtigt designelement for mange avancerede materialer. Uden retningsbestemt binding, sådanne strukturer er ustabile.

Tricket var at etablere bindingsevner på plastrene. Forskerne gjorde det ved at bruge enkeltstrenge af DNA, som forskere ved NYU og andre steder tidligere har brugt til at organisere små partikler. I metoden beskrevet i Nature, disse DNA-strenge tjente som "klæbende ender", hvortil partikelpletter kunne klæbe.

"Det betyder, at vi kan lave partikler, der kun hæfter ved plastrene, og så kan vi programmere dem, så kun bestemte slags partikler hæfter sig på de pletter, " sagde medforfatter og NYU fysikprofessor David Pine. "Dette giver os en enorm fleksibilitet til at designe 3-dimensionelle strukturer."

Forskerne tilføjede, at specificiteten af ​​DNA-interaktioner mellem plastre betyder, at kolloider med forskellige egenskaber, såsom størrelse, farve, kemisk funktionalitet, eller elektrisk ledningsevne, kan føre til produktion af nye materialer. Disse omfatter potentielt 3-dimensionelle elektriske ledningsnetværk eller fotoniske krystaller for at forbedre de optiske skærme af en række forbrugerprodukter og for at forbedre hastigheden af ​​computerchips.