Bøj mig, form mig, som du vil have mig:Forskere kurver nanopartikelark til komplekse former

Forskere har lavet nanopartikler i mere end to årtier i todimensionelle ark, tredimensionelle krystaller og tilfældige klynger. Men de har aldrig været i stand til at få et ark af nanopartikler til at krumme eller folde ind i en kompleks tredimensionel struktur. Nu forskere fra University of Chicago, University of Missouri og det amerikanske energiministeriums Argonne National Laboratory har fundet en enkel måde at gøre præcis det på.

Resultaterne åbner vejen for forskere til at designe membraner med justerbare elektriske, magnetiske og mekaniske egenskaber, der kunne bruges i elektronik og endda kan have betydning for forståelsen af ​​biologiske systemer.

Arbejder på Center for Nanoscale Materials (CNM) og Advanced Photon Source (APS), to DOE Office of Science brugerfaciliteter beliggende i Argonne, holdet fik membraner af guld-nanopartikler belagt med organiske molekyler til at krølle til rør, når de blev ramt af en elektronstråle. Lige så vigtigt, de har opdaget, hvordan og hvorfor det sker.

Forskerne belægger guldnanopartikler på nogle få tusinde atomer hver med et olielignende organisk molekyle, der holder guldpartiklerne sammen. Når de flyder på vand, danner partiklerne en plade; når vandet fordamper, det efterlader arket ophængt over et hul. "Det er næsten som et trommeskind, " siger Xiao-Min Lin, stabsforskeren ved Center for Nanoskala Materialer, der ledede projektet. "Men det er en meget tynd membran lavet af et enkelt lag af nanopartikler."

Til deres overraskelse, når forskerne sætter membranen ind i strålen fra et scanningselektronmikroskop, den foldede sig. Den foldede sig hver gang, og altid i samme retning.

"Det fik vores nysgerrighed op, " sagde Lin. "Hvorfor bøjer den i én retning?"

Svaret lå i de organiske overflademolekyler. De er hydrofobe:når de flyder på vand, forsøger de at undgå kontakt med det, så de ender med at fordele sig selv på en uensartet måde hen over det øverste og nederste lag af nanopartikelarket. Når elektronstrålen rammer molekylerne på overfladen, får de dem til at danne en yderligere binding med deres naboer, skaber en asymmetrisk spænding, der får membranerne til at folde.

Zhang Jiang og Jin Wang, Røntgenpersonale ved ApS, kom med en genial måde at måle den molekylære asymmetri på, som på kun seks ångstrøm, eller omkring seks atomer tykke, er så lille, at det normalt ikke ville være målbart.

Subramanian Sankaranarayanan og Sanket Deshmukh ved CNM brugte de højtydende computerressourcer på DOE's National Energy Research Scientific Computing Center og Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), både DOE Office of Science brugerfaciliteter, at analysere overfladen af ​​nanopartiklerne. De opdagede, at mængden af ​​overflade dækket af de organiske molekyler og molekylernes mobilitet på overfladen begge har en vigtig indflydelse på graden af ​​asymmetri i membranen.

"Dette er fascinerende resultater, " sagde Fernando Bresme, professor i kemisk fysik ved Imperial College i London og en førende teoretiker om blødt stofs fysik. "De fremmer betydeligt vores evne til at lave nye nanostrukturer med kontrollerede former."

I princippet, videnskabsmænd kunne bruge denne metode til at fremkalde foldning i enhver nanopartikelmembran, der har en asymmetrisk fordeling af overflademolekyler. sagde Lin, "Du bruger en type molekyle, der hader vand og stoler på, at vandoverfladerne driver molekylerne til at fordele sig uensartet, eller du kan bruge to forskellige slags molekyler. Nøglen er, at molekylerne skal fordele sig uensartet."

Det næste skridt for Lin og hans kolleger er at udforske, hvordan de kan kontrollere den molekylære fordeling på overfladen og derfor foldningsadfærden. De forestiller sig kun at zappe en lille del af strukturen med elektronstrålen, design af spændingerne for at opnå særlige bøjningsmønstre.

"Du kan måske folde disse ting ind i origami-strukturer og alle mulige interessante geometrier, " sagde Lin. "Det åbner mulighederne."