Udnyttelse af nanoworldens muligheder

Forskere har længe mistanke om, at materialernes måde at opføre sig på nanoskalaen - det vil sige når partikler har dimensioner på omkring 1–100 nanometer - er forskellig fra, hvordan de opfører sig i enhver anden skala. Et nyt papir i journalen Kemisk videnskab giver et konkret bevis på, at dette er tilfældet.

Termodynamikkens love styrer materialernes adfærd i makroverdenen, mens kvantemekanik beskriver partiklers adfærd i den anden ekstrem, i en verden af ​​enkeltatomer og elektroner.

Men i midten, i størrelsesordenen 10–100, 000 molekyler, noget andet foregår. Fordi det er så lille en skala, partiklerne har et virkelig stort forhold mellem overfladeareal og volumen. Det betyder, at energien i det, der foregår på overfladen, bliver meget vigtig, meget som de gør på atomskalaen, hvor kvantemekanik ofte anvendes.

Klassisk termodynamik bryder sammen. Men fordi der er så mange partikler, og der er mange interaktioner mellem dem, kvantemodellen virker heller ikke helt.

Og fordi der er så mange partikler, der gør forskellige ting på samme tid, det er svært at simulere alle deres interaktioner ved hjælp af en computer. Det er også svært at indsamle meget eksperimentel information, fordi vi endnu ikke har udviklet evnen til at måle adfærd i så lille en skala.

Denne gåde bliver særlig akut, når vi forsøger at forstå krystallisering, den proces, hvorved partikler, tilfældigt fordelt i en løsning, kan danne stærkt bestilte krystalstrukturer, givet de rette betingelser.

Kemikere forstår ikke rigtigt, hvordan dette fungerer. Hvordan gør omkring 1018 molekyler, bevæger sig rundt i løsning tilfældigt, komme sammen for at danne en bestilt krystal af mikro til millimeter størrelse? Mest bemærkelsesværdigt er måske det faktum, at hver krystal i de fleste tilfælde er ordnet på samme måde hver gang krystallen dannes.

Imidlertid, det viser sig, at forskellige forhold undertiden kan give forskellige krystalstrukturer. Disse er kendt som polymorfer, og de er vigtige i mange videnskabelige grene, herunder medicin - et lægemiddel kan opføre sig forskelligt i kroppen afhængigt af hvilken polymorf det krystalliseres i.

Hvad vi hidtil ved om processen, i hvert fald efter en almindeligt accepteret model, er, at partikler i opløsning kan komme sammen for at danne en kerne, og når først en kritisk masse er nået, ser vi krystalvækst. Kernens struktur bestemmer strukturen af ​​den sidste krystal, det er, hvilken polymorf vi får.

Hvad vi ikke har kendt indtil nu, er det, der bestemmer strukturen af ​​kernen i første omgang, og det sker på nanoskalaen.

I denne avis, forfatterne har brugt mekanokemi - det vil sige fræsning og formaling - til at opnå nanoserede partikler, lille nok til at overfladeeffekter bliver betydelige. Med andre ord, nanoworldens kemi - hvilke strukturer er de mest stabile i denne skala, og hvilke forhold der påvirker deres stabilitet, er blevet undersøgt for første gang med omhyggeligt kontrollerede forsøg.

Og ved at ændre fræsebetingelserne, for eksempel ved at tilsætte en lille mængde opløsningsmiddel, forfatterne har været i stand til at kontrollere, hvilken polymorf der er den mest stabile. Professor Jeremy Sanders fra University of Cambridge's Department of Chemistry, der ledede arbejdet, sagde "Det er spændende, at disse enkle eksperimenter, når den udføres med stor omhu, uventet kan åbne en ny dør for at forstå det grundlæggende spørgsmål om, hvordan overfladeeffekter kan kontrollere nanokrystallers stabilitet. "

Joel Bernstein, Global Distinguished Professor of Chemistry ved NYU Abu Dhabi, og en ekspert i krystalvækst og struktur, forklarer:"Forfatterne har elegant vist, hvordan man eksperimentelt måler og simulerer situationer, hvor man har to mulige kerner, sige A og B, og bestem at A er mere stabil. Og de kan også vise, hvilke betingelser der er nødvendige for at disse stabiliteter kan vende, og for at B skal blive mere stabil end A. "

"Dette er virkelig nyheder, fordi du ikke kan lave disse forudsigelser ved hjælp af klassisk termodynamik, og det er heller ikke kvanteeffekten. Men ved at lave disse eksperimenter, forfatterne er begyndt at få en forståelse af, hvordan tingene opfører sig på dette størrelsesregime, og hvordan vi kan forudsige og dermed kontrollere det. Den elegante del af eksperimentet er, at de har været i stand til at nukleere A og B selektivt og reversibelt. "

Et af nøgleordene i kemisk syntese er 'kontrol'. Kemikere forsøger altid at kontrollere materialernes egenskaber, om det er for at lave et bedre farvestof eller plastik, eller et lægemiddel, der er mere effektivt i kroppen. Så hvis vi kan lære at kontrollere, hvordan molekyler i en opløsning kommer sammen til at danne faste stoffer, vi kan vinde rigtig meget. Dette arbejde er et vigtigt første skridt i at opnå denne kontrol.