Forskning hjælper med at gøre fremskridt inden for programmerbart stof ved hjælp af nanokrystaller

Da University of Pennsylvania nanoforskere skabte smukke, flisebelagte mønstre med flade nanokrystaller, de stod tilbage med et mysterium:hvorfor ordnede nogle sæt krystaller sig i skiftevis, sildebensstil, selvom det ikke var det enkleste mønster? 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 genstande en milliondel på størrelse med et sandkorn indretter sig i nyttige materialer, det giver et middel til at opdage reglerne for "programmering" af dem til ønskede konfigurationer.

Undersøgelsen blev ledet af Christopher Murray, en professor med ansættelser i Institut for Kemi på Institut for Kunst og Videnskab og Institut for Materialevidenskab og Teknik på Institut for Ingeniørvidenskab og Anvendt Videnskab. Også på Penn -holdet var Cherie Kagan, en kemi, MSE og professor i elektroteknik og systemteknik, og postdoktorale forskere Xingchen Ye, Jun Chen og Guozhong Xing.

De samarbejdede med Sharon Glotzer, professor i kemiteknik i Michigan, og Ju Li, professor i atomvidenskab og teknik ved MIT.

Deres forskning blev omtalt på forsiden af ​​tidsskriftet Naturkemi .

"Spændingen i dette er ikke i sildebensmønsteret, "Sagde Murray, "Det handler om koblingen af ​​eksperiment og modellering, og hvordan den tilgang lader os påtage os et meget hårdt problem."

Tidligere arbejde i Murrays gruppe har været fokuseret på at skabe nanokrystaller og arrangere dem i større krystaloverbygninger. Ultimativt, forskere ønsker at ændre patches på nanopartikler på forskellige måder for at lokke dem til mere komplekse mønstre. Målet er at udvikle "programmeringsmateriale, " det er, en metode til at designe nye materialer baseret på de egenskaber, der er nødvendige for et bestemt job.

"Ved at konstruere interaktioner på nanoskala, "Sagde Glotzer, "vi kan begynde at samle målstrukturer med stor kompleksitet og funktionalitet på makroskalaen."

Glotzer introducerede begrebet nanopartikel "ujævnhed" i 2004. Hendes gruppe bruger computersimuleringer til at forstå og designe patches.

For nylig, Murrays team lavede mønstre med flade nanokrystaller lavet af tungmetaller, kendt for 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 lanthanid og fluor begyndte naturligt at danne krystaller. I blandingen var også kæder af kulstof og hydrogen, der klæbede til krystallernes sider, stoppe deres vækst i størrelser omkring 100 nanometer, eller 100 milliontedele af en millimeter, i de største dimensioner. Ved at bruge lanthanider med forskellige atomradier, de kunne styre top- og bundfladerne af de sekskantede krystaller til at være hvor som helst fra meget længere end de fire andre sider til ikke-eksisterende, hvilket resulterer i en diamantform.

For at danne flisebelagte mønstre, holdet rensede nanokrystaller og blandede dem med et opløsningsmiddel. De spredte denne blanding i et tyndt lag over en tyk væske, som understøttede krystallerne, mens de tillod dem at bevæge sig. As the solvent evaporated, the crystals had less space available, and they began to pack together.

The diamond shapes and the very long hexagons lined up as expected, the diamonds forming an argyle-style grid and the hexagons matching up their longest edges like a foreshortened honeycomb. The hexagons whose sides were all nearly the same length should have formed a similar squashed honeycomb pattern, men, instead, they lined up in an alternating herringbone style.

"Whenever we see something that isn't taking the simplest pattern possible, we have to ask why, " Murray said.

They posed the question to Glotzer's team.

"They've been world leaders in understanding how these shapes could work on nanometer scales, and there aren't many groups that can make the crystals we make, " Murray said. "It seemed natural to bring these strengths together."

Glotzer and her group built a computer model that could recreate the self-assembly of the same range of shapes that Murray had produced. The simulations showed that if the equilateral hexagons interacted with one another only through their shapes, most of the crystals formed the foreshortened honeycomb pattern, not the herringbone.

"That's when we said, 'Okay, there must be something else going on. It's not just a packing problem, '" Glotzer said. Her team, which included graduate student Andres Millan and research scientist Michael Engel, then began playing with interactions between the edges of the particles. They found that that if the edges that formed the points were stickier than the other two sides, the hexagons would naturally arrange in the herringbone pattern.

The teams suspected that the source of the stickiness was those carbon and hydrogen chains. Perhaps they attached to the point edges more easily, the team members thought. Since experiment doesn't yet offer a way to measure the number of hydrocarbon chains on the sides of such tiny particles, Murray asked MIT's Ju Li to calculate how the chains would attach to the edges at a quantum mechanical level.

Li's group confirmed that, because of the way that the different facets cut across the lattice of the metal and fluorine atoms, more hydrocarbon chains could stick to the four edges that led to points than the remaining two sides. Som resultat, the particles become patchy.

"Our study shows a way forward making very subtle changes in building block architecture and getting a very profound change in the larger self-assembled pattern, " Glotzer said. "The goal is to have knobs that you can change just a little and get a big change in structure, and this is one of the first papers that shows a way forward for how to do that."