Porestørrelse påvirker karakteren af ​​komplekse nanostrukturer

At bygge på nanoskala er ikke som at bygge et hus. Forskere starter ofte med todimensionelle molekylære lag og kombinerer dem for at danne komplekse tredimensionelle arkitekturer. Og i stedet for søm og skruer, disse strukturer er forbundet af de attraktive van der Waals-kræfter, der eksisterer mellem objekter på nanoskalaen.

Van der Waals kræfter er kritiske i at konstruere materialer til energilagring, biokemiske sensorer og elektronik, selvom de er svage sammenlignet med kemiske bindinger. De spiller også en afgørende rolle i lægemiddelleveringssystemer, bestemme hvilke lægemidler der binder til de aktive steder i proteiner.

I ny forskning, der kunne hjælpe med at informere udviklingen af ​​nye materialer, Cornell-kemikere har fundet ud af, at det tomme rum ("porer"), der er til stede i todimensionelle molekylære byggesten, fundamentalt ændrer styrken af ​​disse van der Waals-kræfter, og kan potentielt ændre samlingen af ​​sofistikerede nanostrukturer.

Resultaterne repræsenterer en uudforsket vej mod at styre selvsamlingen af ​​komplekse nanostrukturer fra porøse todimensionelle byggeklodser. "Vi håber, at en mere fuldstændig forståelse af disse kræfter vil hjælpe med opdagelsen og udviklingen af ​​nye materialer med forskellige funktionaliteter, målrettede ejendomme, og potentielt nye applikationer, " sagde Robert A. DiStasio Jr., adjunkt i kemi ved College of Arts and Sciences.

I et papir med titlen "Influence of Pore Size on the van der Waals Interaction in Two-Dimensional Molecules and Materials, " udgivet 14. januar i Fysiske anmeldelsesbreve , DiStasio, kandidatstuderende Yan Yang og postdoc Ka Un Lao beskriver en række matematiske modeller, der adresserer spørgsmålet om, hvordan tomrum fundamentalt påvirker de tiltrækkende fysiske kræfter, der opstår over afstande i nanoskala.

I tre prototypiske modelsystemer, forskerne fandt ud af, at bestemte porestørrelser fører til uventet adfærd i de fysiske love, der styrer van der Waals kræfter. Yderligere, de skriver, denne adfærd "kan indstilles ved at variere den relative størrelse og form af disse tomme rum ... [giver] ny indsigt i selvsamling og design af komplekse nanostrukturer."

Mens stærke kovalente bindinger er ansvarlige for dannelsen af ​​todimensionelle molekylære lag, van der Waals interaktioner giver den vigtigste tiltrækningskraft mellem lagene. Som sådan, van der Waals styrker er i høj grad ansvarlige for selvsamlingen af ​​de komplekse tredimensionelle nanostrukturer, der udgør mange af de avancerede materialer, der bruges i dag.

Forskerne demonstrerede deres resultater med adskillige todimensionelle systemer, herunder kovalente organiske rammer, som er udstyret med justerbare og potentielt meget store porer.

"Jeg er overrasket over, at det komplicerede forhold mellem det tomme rum og van der Waals kræfter kunne rationaliseres gennem så simple modeller, " sagde Yang. "I samme åndedrag, Jeg er virkelig begejstret for vores resultater, da selv små ændringer i van der Waals-kræfterne kan markant påvirke egenskaberne af molekyler og materialer."