Magnetiske nanokuber samler sig selv i spiralformede overbygninger

Materialer fremstillet af nanopartikler holder løfte om utallige applikationer, fra forbedret solenergiproduktion til perfekte touchskærme. Udfordringen ved at skabe disse vidundermaterialer er at organisere nanopartiklerne i ordnede arrangementer.

Nanopartikler af magnetit, det mest forekommende magnetiske materiale på jorden, findes i levende organismer fra bakterier til fugle. Nanokrystaller af magnetit samler sig selv til fine kompassnåle i organismen, der hjælper den med at navigere.

Samarbejde med nanokemister ledet af Rafal Klajn ved Weizmann Institute of Science i Israel, der fandt ud af, at magnetit-nanokuber kan samle sig til spiralformede overbygninger under visse betingelser, University of Illinois i Chicago teoretiske kemiker Petr Kral og hans studerende simulerede fænomenet og forklarede, under hvilke betingelser det kan forekomme. Den fælles undersøgelse er online i Science Express forud for tryk i 5. september -udgaven af Videnskab .

Weizmann -forskerne opløste nanokrystaller og udsatte opløsningen for et eksternt magnetfelt. Da opløsningen fordampede, spiralformede kæder af nanopartikler dannet. Overraskende, spiralspiralen var chirale - det vil sige enten venstre- eller højrehåndet- på trods af at nanopartiklerne i sig selv ikke er kirale. Tæt pakket samlinger af spiraler havde en tendens til at anvende den samme håndethed.

Krals UIC-team modellerede selvsamlingen for at bestemme, hvordan spiraler dannede sig i deres kollaboratørers eksperimenter-og hvorfor spiralerne havde kiralitet.

De fandt ud af, at selvsamlingen til kirale spiraler er resultatet af de konkurrerende kræfter, der virker på dem-Zeeman-kraft fra det ydre magnetfelt, dipol-dipol magnetisk kraft, magneto-anisotropisk retningskraft, svagt attraktive van der Waals styrker, og andre. Nanopartikelligandernes kemi, opløsningsmidlet, og temperatur kan også spille en rolle.

I nærvær af et eksternt magnetfelt, de superparamagnetiske nanokuber - som er tilfældigt magnetiske og kan vende med temperaturændringer - blev små magneter med forskellige symmetrier af de konkurrerende kræfter, der virker imellem dem. Som resultat, når to terninger står ansigt til ansigt, de har en tendens til at vippe i forhold til hinanden, danner en lille vinkel til højre eller venstre - frøet til en kiral helix, efterhånden som flere nanokuber stemmer overens med de to første.

Krals analyse brugte en Monte Carlo -computeralgoritme, som er afhængig af gentagne stikprøver, kører simuleringer mange gange.

"Vi var nødt til at skrive en ny, effektiv Monte Carlo computerkode, der beskriver alle de nødvendige udtryk, alle værdier, og forklar derefter, hvordan den meget usædvanlige adfærd, Klajn observerede-spiralernes selvsamling-sker, "Sagde Kral.