Forskere forklarer, hvorfor nogle molekyler spontant arrangerer sig selv i fem skiver af nanoskala tærte

Materialer dannet i forsvindende små skalaer bliver brugt i medicin, elektronik, fremstilling og en lang række andre applikationer. Men videnskabsmænd har kun ridset overfladen af ​​at forstå, hvordan man kontrollerer byggesten på nanoskalaen, hvor simple maskiner på størrelse med en virus fungerer.

Nu, et team af forskere ledet af Dongsheng Li, en materialeforsker ved PNNL, og samarbejdspartnere ved University of Michigan og det kinesiske videnskabsakademi, har låst op for hemmeligheden bag en af ​​de mest nyttige nanostrukturer:den femdobbelte tvilling. Deres undersøgelse, der beskriver hvorfor og hvordan denne form dannes, er detaljeret i journalen Videnskab og blev præsenteret på Materials Research Societys årsmøde den 5. december, 2019.

Et tværsnit af en femdobbelt tvillingstruktur ser for hele verden ud som en tærte skåret i fem perfekt symmetriske stykker. Nanomaterialer med denne struktur har allerede vist sig at have nyttige egenskaber og anvendes i medicinsk forskning til præcist at mærke kræftsvulster til billeddannelse og sporing, og inden for elektronik, hvor de er værdsat for deres mekaniske styrke.

"Naturlige og syntetiske nanopartikler sammensat af femdobbelte tvillingekrystaldomæner har unikke egenskaber, " sagde Li, der ledede forskerholdet. "Men dannelsesmekanismen for disse femdobbelte tvillinge nanopartikler er blevet dårligt forstået. For første gang, vi observerede direkte dannelsen af ​​fem gange tvillinger i realtid og bestemte mekanismen, hvormed de dannes."

Lige siden videnskabsmænd lærte at manipulere molekyler på nanoskala, de har bemærket, at materialer har en tendens til at samle sig i visse geometriske former:Ledninger, rør, sfærer, og terninger dannes alle med lidt indgriben. Men hvorfor?

Forskerholdet brugte en kombination af højopløsnings-transmissionselektronmikroskopi kombineret med simuleringsteknikker for molekylær dynamik til at undersøge, hvorfor strukturerne dannes, som de gør. I de fleste tilfælde, nanostrukturer dannes for hurtigt til at fange dem ved hjælp af eksperimentelle billeddannelsesteknikker. Her, holdet implementerede en smart strategi:de tvang molekylerne til at bevæge sig langsommere ved at indkapsle dem i en melasselignende organisk matrix, og de observerede mere end 200 formationsbegivenheder for at fange alle de vigtigste trin i processen. De opdagede to forskellige mekanismer til at danne femdobbelte tvillingestrukturer, som begge er formet af akkumulering og eliminering af belastning mod en ideel form, der eliminerer al belastning.

"Den mekanisme, vi udarbejdede, er en fælles vej for krystalvækst, der forekommer bredt i forskellige systemer som metaller, halvledere, økologiske, og biominerale faser, " sagde Li. "Derfor, hvad vi lærte af vores observation kan generalisere til en bred vifte af materialer."

Nu hvor forskerne har fanget de grundlæggende kræfter, der former strukturen, de håber at kunne guide flere slags materialer ind i denne meget nyttige tærteform.

"Vi håber at muliggøre design af nanostrukturer med kontrolleret størrelse og morfologi, og at skræddersy deres ejendomme, " sagde Li.