Konkurrerende kræfter coax nanokuber til spiralformede strukturer

Nanokuber er alt andet end børneleg. Videnskabsmænd fra Weizmann Institute har brugt dem til at skabe overraskende garnlignende tråde:De viste, at under de rette betingelser, terningformede nanopartikler er i stand til at tilpasse sig til snoede spiralformede strukturer. Deres resultater, som afslører, hvordan nanomaterialer kan samle sig til uventet smukke og komplekse strukturer, blev for nylig offentliggjort i Videnskab .

Dr. Rafal Klajn og postdoktor Dr. Gurvinder Singh fra instituttets afdeling for organisk kemi brugte nanokuber af et jernoxidmateriale kaldet magnetit. Som navnet antyder, dette materiale er naturligt magnetisk:Det findes overalt, herunder inde i bakterier, der bruger den til at fornemme Jordens magnetfelt.

Magnetisme er blot en af ​​de kræfter, der virker på nanopartiklerne. Sammen med forskergruppen for prof. Petr Král fra University of Illinois, Chicago, Klajn og Singh udviklede teoretiske modeller for at forstå, hvordan de forskellige kræfter kunne skubbe og trække de små stykker magnetit ind i forskellige formationer. "Forskellige typer kræfter tvinger nanopartiklerne til at justere på forskellige måder, "siger Klajn." Disse kan konkurrere med hinanden; så tanken er at finde balancen mellem konkurrerende kræfter, der kan fremkalde partiklernes selvsamling til nye materialer. "Modellerne antydede, at formen på nanopartikler er vigtig-kun terninger ville give en ordentlig balance mellem kræfter, der kræves for at trække sammen til spiralformede formationer.

Forskerne fandt ud af, at de to største konkurrerende kræfter er magnetisme og van der Waals -kraft. Magnetisme får de magnetiske partikler til både at tiltrække og frastøde hinanden, får kubikpartiklerne til at justere i deres hjørner. Van der Waals styrker, på den anden side, træk siderne af terningerne tættere sammen, lokke dem til at stille sig i træk. Når disse kræfter virker sammen på de små terninger, resultatet er den trinlignende justering, der producerer spiralformede strukturer.

I deres eksperimenter, forskerne afslørede relativt høje koncentrationer af magnetit -nanokuber placeret i en opløsning til et magnetfelt. Den lange, reblignende spiralformede kæder, de opnåede efter opløsningen blev fordampet, var overraskende ensartede. De gentog eksperimentet med nanopartikler af andre former, men som forudsagt, kun terninger havde den helt rigtige fysiske form til at justere i en helix. Klajn og Singh fandt også ud af, at de kunne få kirale tråde - alle såret i samme retning - med meget høje partikelkoncentrationer, hvor et antal tråde samledes tæt sammen. Tilsyneladende kan de konkurrerende kræfter "tage i betragtning" den mest effektive måde at pakke trådene ind i rummet.

Selvom nanokubetrådene ser flotte nok ud til at strikke, Klajn siger, at det er for tidligt at begynde at tænke på kommercielle applikationer. Værkets umiddelbare værdi, han siger, er, at det har bevist et grundlæggende princip for selvmontering i nanoskala. "Selvom magnetit har været godt undersøgt-også dets nanopartikelform-i mange årtier, ingen har observeret disse strukturer før, "siger Klajn." Først når vi forstår, hvordan de forskellige fysiske kræfter virker på nanopartikler, kan vi begynde at anvende indsigten på sådanne mål som fremstilling af tidligere ukendte, selvsamlede materialer. "