Nano-gennembrud:Løsning af sagen om sildebenskrystallen

Førende nanovidenskabsmænd skabte smukke, flisebelagte mønstre med flade nanokrystaller, men de blev efterladt med et mysterium:Hvorfor arrangerede nogle sæt krystaller sig i en skiftende, sildebensstil? At finde ud af, de henvendte sig til eksperter i computersimulering ved University of Michigan og Massachusetts Institute of Technology.

Resultatet giver nanoteknologiforskere et nyt værktøj til at kontrollere, hvordan objekter en milliontedel af størrelsen af ​​et sandkorn arrangerer sig i nyttige materialer - og et middel til at opdage resten af ​​værktøjskisten. En artikel om forskningen er offentliggjort online 12. maj i Naturkemi .

"Spændingen i dette er ikke i sildebensmønsteret, det handler om koblingen af ​​eksperiment og modellering, og hvordan den tilgang lader os tage et meget hårdt problem, " sagde Christopher Murray, Richard Perry University Professor og professor i kemi ved University of Pennsylvania.

Murrays gruppe er kendt for at lave nanokrystaller og arrangere dem i større krystaloverbygninger.

Ultimativt, forskere ønsker at modificere pletter på nanopartikler på forskellige måder for at lokke dem til mere komplekse mønstre. Målet er en metode, der giver folk mulighed for at forestille sig, hvad de kunne tænke sig at lave, og derefter designe et materiale med de rigtige egenskaber til jobbet.

"Ved at udvikle interaktioner på nanoskala, vi kan begynde at samle målstrukturer med stor kompleksitet og funktionalitet på makroskalaen, " sagde UM's Sharon Glotzer, Stuart W. Churchill kollegiale professor i kemiteknik.

Glotzer introducerede begrebet "patchiness" af nanopartikler i 2004. Hendes gruppe bruger computersimuleringer til at forstå og designe plastrene.

For nylig, Murrays team lavede mønstre med flade nanokrystaller lavet af tungmetaller, kendt af kemikere som lanthanider, og fluoratomer. Lanthanider har værdifulde egenskaber til solenergi og medicinsk billeddannelse, såsom evnen til at konvertere mellem høj- og lavenergilys.

De startede med at nedbryde kemikalier indeholdende atomer af et lanthanidmetal og fluor i en opløsning, og lanthanidet og fluoret begyndte naturligt at danne krystaller. Også i blandingen var kæder af kulstof og brint, der klæbede til siderne af krystallerne, stopper deres vækst ved størrelser på omkring 100 nanometer, eller 100 milliontedele af en millimeter, ved de største dimensioner. Ved at bruge lanthanider med forskellige atomare radier, de kunne kontrollere de sekskantede krystallers top- og bundflader til at være alt fra meget længere end de andre fire sider til ikke-eksisterende, resulterer i en diamantform.

For at danne flisebelagte mønstre, holdet spredte et tyndt lag af nanokrystaller og opløsningsmiddel oven på en tyk væske. Efterhånden som opløsningsmidlet fordampede, krystallerne havde mindre plads til rådighed, og de begyndte at pakke sammen.

Diamantformerne og de meget lange sekskanter stod på linje som forventet, diamanterne danner et gitter i Argyle-stil, og sekskanterne matcher deres længste kanter som en forkortet bikage. De sekskanter, hvis sider alle var næsten lige lange, skulle have dannet et lignende sammenklemt bikagemønster, men i stedet, de stillede sig op i mere komplicerede, skiftevis sildebensstil.

"Når vi ser noget, der ikke tager det enklest mulige mønster, vi må spørge hvorfor " sagde Murray.

De stillede spørgsmålet til Glotzers team.

"De har været førende i verden i at forstå, hvordan disse former kunne fungere på nanometerskalaer, og der er ikke mange grupper, der kan lave de krystaller, vi laver, " sagde Murray. "Det virkede naturligt at bringe disse styrker sammen."

Glotzer og hendes gruppe byggede en computermodel, der kunne genskabe selvsamlingen af ​​det samme udvalg af former, som Murray havde produceret. Simuleringerne viste, at hvis de ligesidede sekskanter kun interagerede med hinanden gennem deres former, de fleste af krystallerne dannede det forkortede bikagemønster - ikke sildebenet.

"Det var da vi sagde, 'Okay, der må være noget andet på færde. Det er ikke kun et pakkeproblem, " sagde Glotzer.

Hendes hold, som omfattede U-M kandidatstuderende Andres Millan og forsker Michael Engel, begyndte derefter at lege med interaktioner mellem partiklernes kanter. De fandt ud af, at hvis kanterne, der dannede spidserne, var mere klæbrige end de to andre sider, sekskanterne ville naturligt arrangere i sildebensmønsteret.

Holdene havde mistanke om, at kilden til klæbrigheden var disse kulstof- og brintkæder - måske blev de lettere fastgjort til spidskanterne. Da eksperimenter endnu ikke tilbyder en måde at måle antallet af kulbrintekæder på siderne af sådanne små partikler, Murray spurgte Ju Li, nu Battelle Energy Alliance professor i nuklear videnskab og teknik ved Massachusetts Institute of Technology, at beregne, hvordan kæderne ville fæstne sig til kanterne på et kvantemekanisk niveau.

Li's gruppe bekræftede, at på grund af den måde, som de forskellige facetter skærer på tværs af gitteret af metal- og fluoratomerne, flere kulbrintekæder kunne holde sig til de fire kanter, der førte til spidser, end de resterende to sider. Som resultat, partiklerne bliver pletvis.

"Vores undersøgelse viser en vej frem til at lave meget subtile ændringer i byggestensarkitekturen og få en meget dyb ændring i det større selvsamlede mønster, " sagde Glotzer. "Målet er at have drejeknapper, som du bare kan ændre lidt og få en stor ændring i strukturen, og dette er et af de første papirer, der viser en vej frem for, hvordan man gør det."

Artiklen har titlen "Konkurrence mellem form og vekselvirkning for selvsamlende nanoplader."

Murray er også professor i materialevidenskab og teknik. Glotzer er også professor i materialevidenskab og teknik, makromolekylær videnskab og teknik, fysik og anvendt fysik. Li er også professor i materialevidenskab og teknik.