Partikler samler sig selv i arkimediske fliser

(Phys.org)—For første gang, forskere har simuleret partikler, der spontant selv kan samle sig til netværk, der danner geometriske arrangementer kaldet arkimedeiske fliser. Nøglen til at realisere disse strukturer er en strategi kaldet minimal positivt design, hvor der både tages hensyn til partiklernes geometri og kemiske selektivitet. Processen har anvendelser inden for molekylær selvsamling, som en dag kunne bruges til at bygge en række forskellige nanoskalateknologier.

Stephen Whitelam, en forsker ved Molecular Foundry ved Lawrence Berkeley National Laboratory, har udgivet et papir om den minimale positive designstrategi for selvsamlende arkimedeanske fliser i et nyligt nummer af Fysiske anmeldelsesbreve .

Tidligere, forskere har med succes selvsamlet partikler til platoniske fliser, som er enklere arrangementer bestående af regelmæssige periodiske arrays af en enkelt form, såsom firkanter, trekanter, eller sekskanter. At gøre dette, forskere bruger en strategi kaldet positivt design, hvor den ønskede struktur fremmes ud fra partikelgeometrien. Når partiklerne kombineres og afkøles, de samler sig spontant til platoniske fliser på grund af en række underliggende kemikalier, fysisk, og termodynamiske interaktioner.

Selvsamlende partikler til det næste enkleste arrangement, Arkimedeanske fliser, er meget sværere. Arkimedeanske fliser er sammensat af to eller tre forskellige former, og kun én type toppunkt (så hvis du zoomede ind på skæringspunkterne, de ville alle se ens ud, med de samme vinkler i samme rækkefølge). Der er otte typer arkimedeanske fliser, og den nye designstrategi kan konstruere dem alle otte.

Det nye aspekt af den nye designstrategi er det "minimale" element, som refererer til kemisk selektivitet. Whitelam fandt ud af, at hvis du identificerer alle de interpartikelinteraktioner, der er involveret i et ønsket arrangement, og vælg derefter partikler med kun disse interaktioner og ingen andre, derefter under en simpel afkølingsprotokol vil partiklerne samle sig selv til den ønskede struktur. Det "positive" aspekt af strategien er, at den virker ved at fremme den ønskede struktur, og kræver ikke at undertrykke alle de mange mulige uønskede strukturer.

Simuleringerne viste også, at hvis der ikke tages højde for kemisk selektivitet, så samler partikler sig ikke selv i de arkimedeiske fliser, viser, at den kemiske selektivitet er afgørende for at realisere disse strukturer.

"Resultaterne viser, at du har brug for 'kemisk specificitet' af interaktioner for selv at samle visse enkle, almindelige strukturer, "Fortalte Whitelam Phys.org . "Jeg ønskede at skrive et papir om mængden af ​​'information', som du skal 'programmere' til en partikel for at give den mulighed for at samle sig selv, i nærværelse af mange kopier af sig selv, ind i en ønsket struktur.

"Den enkleste måde at flise et fly på er at dække det med trekanter, eller med firkanter, eller med sekskanter. Disse mønstre kaldes de platoniske eller almindelige arkimediske fliser. Andre forfattere har vist, at partikler med visse geometriske egenskaber - med klæbrige pletter i bestemte vinkler - spontant kan danne de netværk, der svarer til disse fliser, hvilket betyder, at hvis du tegner linjer mellem partikelcentre, så ligner det billede du får en flisebelægning.

"Den næste enkleste måde at dække en overflade på er med kombinationer af to eller tre regulære polygoner, og disse mønstre kaldes de semi-regulære arkimediske fliser (ofte bare arkimedeiske fliser). Andre forskere har brugt simuleringer til at vise, at partikler med den korrekte geometri alene sandsynligvis ikke selv kan samles til sådanne strukturer. Mit arbejde bekræfter dette faktum, men viser, at det, der virker, er, hvis partikelinteraktionerne er kemisk specifikke, hvilket betyder, at de klæbrige pletter kun klæber til visse andre klæbrige pletter. På denne måde partikler undgår at lave mange bindingsfejl, og formår at finde vej til den rigtige struktur."

Interessant nok, kemisk selektivitet bruges også til at kontrollere interpartikelinteraktionerne mellem biologiske partikler, såsom proteiner og DNA.

"Et aspekt af dette resultat er allerede almindeligt kendt:forskere, der bruger DNA-nanoteknologi, bruger rutinemæssigt DNA-medierede kemisk specifikke interaktioner til at gøre strukturer lige så komplekse eller mere komplekse end de arkimedeanske fliser, " Whitelam said. "What surprised me is 1) that you need this strategy even for the Archimedean tilings (among the most simple regular structures), and 2) that all you need is this strategy (that is, chemical specificity is both 'necessary and sufficient'). I wanted to emphasize this fact because it did not seem obvious to me that one should need chemical specificity to make the networks equivalent to the Archimedean tilings."

Whitelam expects that the minimal positive design strategy should also work for self-assembling particles into other types of arrangements besides Archimedean tilings. The ability to self-assemble particles into various patterns could provide a tool for fabricating future nanoscale devices.

"Researchers would like to be able to control the patterns of molecules on surfaces for several reasons, " Whitelam said. "One is that if you can control what sits on a surface and how it is organized then you can influence the chemical and physical properties of the surface. Another is that networks in two dimensions can be used to 'host, ' or position, other molecules:imagine putting particles (such as metal nanoparticles, potentially useful in next-generation electronics devices) in the pores of the networks. It is important to be able to control the relative positions of such particles; being able to assemble any of the Archimedean tilings, or indeed any network you desired, would be a good way of doing this."

I fremtiden, Whitelam plans to work with other scientists who come to The Molecular Foundry at Berkeley Lab, which is a US Department of Energy User Facility for nanoscience.

"My aim is to build on this work in order to collaborate with Foundry Users—scientists who come to the Foundry to do collaborative nanoscience—who make DNA-linked particles, " he said. "We would like to work out how to design such particles in order to make new nanostructures 'to order.'

© 2016 Phys.org