Ny model letter forudsigelser om, hvordan nanopartikler dannes, giver fingerpeg om, hvordan processen kan styres

(Phys.org) – Nanopartikler er alsidige bud om håb:De kan fungere som aktive medicinske midler eller kontrastmidler lige så godt som elektroniske lagringsmedier eller forstærkning til strukturelle materialer. Forskere fra Max Planck Institute of Colloids and Interfaces i Potsdam-Golm og fra Eindoven University of Technology i Holland ydede et grundlæggende bidrag til at gøre sådanne nanopartikler anvendelige til disse forskellige applikationer.

Mens man studerede magnetit nanopartikler, de udviklede en model for, hvordan krystallinske partikler af et materiale dannes afhængigt af deres fysiske egenskaber. Magnetitnanopartikler bruges af nogle bakterier til at orientere sig langs Jordens magnetfeltlinjer. At forstå, hvordan de vokser, kan være nyttigt til at generere nanopartikler med de ønskede egenskaber.

I mange henseender materialedesign minder om at opdrage børn:mange egenskaber er forudbestemt fra naturen, andre tilegnes under uddannelse eller læring – men det vigtige aspekt sker lige i starten. Et hold ledet af Damien Faivre, leder af en forskningsgruppe ved Max Planck Institute of Colloids and Interfaces, har kigget ind i planteskolen for magnetitnanopartikler.

Magnetitpartikler, der arrangerer sig i fine nåle, tjener som kompas for nogle marine bakterier, når de orienterer sig langs Jordens magnetfelt i deres søgen efter de bedste levevilkår. Imidlertid, syntetiske magnetitpartikler bruges også i blæk, magnetiske væsker, og medicinsk kontrastmiddel, men også som hukommelseselementer i datalagringsmedier. Ved hjælp af deres observationer af magnetit nanopartikler, forskerne i Potsdam har udvidet den etablerede teori om, hvordan krystaller af et materiale dannes fra opløsning.

Den klassiske model kan ikke forklare dannelsen af ​​mange krystaller

I en overmættet opløsning, flere atomer og molekyler agglomererer spontant, dvs mere eller mindre tilfældigt, til et frø, der så vokser videre. Ifølge den klassiske fremstilling af krystalvækst, frøet fanger atomer eller molekyler fra opløsning. På det tidspunkt, enten kan en perfekt ordnet krystal dannes direkte eller en amorf, og dermed uorden, konglomeration dannes først, som så omarrangerer sig til en krystal.

Hvilken af ​​de to veje krystallen udvikler sig i, afhænger af, hvilken der udviser det lavere energiniveau - den krystallinske fase eller den uordnede. De bestemmende egenskaber her er overfladeenergierne af de krystallinske og uordnede varianter, samt de mængder energi, der frigives, når atomer eller molekyler binder sig til den ene eller den anden form. En høj overfladeenergi driver energiforbruget for den givne fases vækst meget højere, mens et stort energiudbytte fra de udviklende obligationer sænker det.

"I årenes løb har der været stigende indikationer på, at adskillige mineraler ikke vokser i henhold til denne model", siger Damien Faivre. "De optager tilsyneladende hverken enkelte atomer eller molekyler under deres dannelse, men i stedet fanger primære partikler eller klynger op til et par nanometer i størrelse, som kun dannes midlertidigt." Det er mere eller mindre, hvad der sker, når der dannes krystaller af calciumcarbonat og calciumphosphat, som hærder knogler eller bløddyrsskaller. Faivre og hans team har nu fastslået at magnetitnanopartikler også vokser ved at absorbere små primære partikler, der kun er to nanometer store.Det observerede forskerne med et transmissionselektronmikroskop opereret ved en temperatur et godt stykke under nul, der således afbilder særligt små strukturer.

Stabiliteten af ​​de primære partikler bliver den afgørende faktor

"Ved brug af den klassiske model, det er umuligt at afgøre, om der dannes større nanokrystaller direkte fra de små nanopartikler, eller om der først dannes en uordnet fase", siger Damien Faivre. Imidlertid, hvis du vil dyrke nanopartikler, du skal kunne svare på dette spørgsmål. Så han og hans kolleger udviklede en ny model (der tager hensyn til de primære partikler).

I den nye model, nanopartiklernes stabilitet bliver en vigtig faktor – så vigtig, at den endda kan vende forudsigelsen af ​​den klassiske model. "Jo mere stabile de primære partikler er, jo mere sandsynligt dannes en krystallinsk struktur direkte", forklarer Faivre. "I mange tilfælde, når en uordnet fase skulle dannes under den klassiske model, vores model resulterer i, at en krystal dannes direkte." Dette er præcis tilfældet med magnetit.

At undersøge de primære partikler er næste skridt

Hvorvidt krystaller vokser efter den klassiske model eller den, der er foreslået af Damien Faivres' team, afhænger af, om atomer og molekyler eller de minimale primære partikler er involveret. "Enten ved du dette gennem observationer, som i vores tilfælde, eller du forudser det ved hjælp af materialets fysiske egenskaber", forklarer Faivre.

Imidlertid, forskerne har stadig adskillige uafklarede spørgsmål at besvare for at gå fra disse indsigter om nanopartikelplanteskolen til en instruktionsmanual til at styre deres vækst. "I næste trin, vi vil undersøge de primære partikler og deres egenskaber mere præcist", siger Damien Faivre. Hvis forskerne kan kontrollere stabiliteten af ​​de partikler, der er assimileret af en voksende nanopartikel, de kan også have et middel til at påvirke nanopartiklernes egenskaber. Dette er næppe anderledes end med unge, voksende børn:hvad de bliver afhænger af, hvordan de bliver fodret.