Verdens mest komplekse mikropartikel:Et syntetisk materiale, der overgår naturens forviklinger (Opdatering)

Syntetiske mikropartikler, der er mere indviklede end nogle af de mest komplicerede, der findes i naturen, er blevet produceret af et internationalt team ledet af University of Michigan. De undersøgte også, hvordan denne forvikling opstår og udtænkte en måde at måle den på.

Resultaterne baner vejen for mere stabile væske- og partikelblandinger, såsom maling, og nye måder at vride lys på – en forudsætning for holografiske projektorer.

Partiklerne er sammensat af snoede pigge arrangeret i en kugle på et par mikrometer, eller milliontedele af en meter, et kors.

Biologi er en stor skaber af kompleksitet på nano- og mikroskalaen, med spidse strukturer såsom plantepollen, immunceller og nogle vira. Blandt de mest komplekse naturlige partikler på skalaen af ​​de nye syntetiske partikler er spidse coccolithophorer. Et par mikrometer i diameter, denne type alger er kendt for at bygge indviklede kalkstensskaller omkring sig selv. For bedre at forstå reglerne, der styrer, hvordan partikler som disse vokser, videnskabsmænd og ingeniører forsøger at lave dem i laboratoriet. Men indtil nu, der var ingen formaliseret måde at måle kompleksiteten af ​​resultaterne på.

"Tal styrer verden, og at være i stand til nøje at beskrive spidse former og sætte tal på kompleksitet gør det muligt for os at bruge nye værktøjer som kunstig intelligens og maskinlæring til at designe nanopartikler, sagde Nicholas Kotov, Joseph B. og Florence V. Cejka professor i ingeniørvidenskab ved U-M, der ledede projektet.

Holdet - som omfatter forskere ved Federal University of São Carlos og University of São Paulo i Brasilien, samt California Institute of Technology og University of Pennsylvania – brugte den nye ramme til at demonstrere, at deres partikler var endnu mere komplicerede end coccolithophores.

Teamets beregningsmæssige arm, ledet af André Farias de Moura, professor i kemi ved Federal University, undersøgt partiklernes kvanteegenskaber og de kræfter, der virker på byggestenene i nanoskala.

En af nøglespillerne i at skabe kompleksitet kan være chiralitet - i denne sammenhæng, tendensen til at følge en drejning med eller mod uret. De introducerede chiralitet ved at belægge guldsulfidplader i nanoskala, som fungerede som deres partikelbyggesten, med en aminosyre kaldet cystein. Cystein kommer i to spejlbilleder, en driver guldarkene til stable med en drejning med uret, og den anden drejning mod uret. I tilfælde af den mest komplekse partikel, en spids kugle med snoede rygsøjler, hvert guldark var belagt med den samme form for cystein.

Holdet kontrollerede også andre interaktioner. Ved at bruge flade nanopartikler, de skabte pigge, der var flade snarere end runde. De brugte også elektrisk ladede molekyler til at sikre, at komponenterne i nanoskala byggede sig selv ind i større partikler, større end et par hundrede nanometer på tværs, på grund af frastødelse.

"Disse love er ofte i konflikt med hinanden, og kompleksiteten opstår, fordi disse samfund af nanopartikler skal tilfredsstille dem alle, sagde Kotov, professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab og makromolekylær videnskab og teknik.

Og den kompleksitet kan være nyttig. Nanoskala pigge på partikler som pollen forhindrer dem i at klumpe sig sammen. Tilsvarende spidserne på disse partikler lavet af forskerholdet hjælper dem med at sprede sig i stort set enhver væske, en egenskab, der er nyttig til at stabilisere faste/flydende blandinger såsom maling.

Mikropartiklerne med snoede pigge optager også UV-lys og udsender snoet – eller cirkulært polariseret – synligt lys som reaktion.

"Forståelsen af ​​disse emissioner var en af ​​de sværeste dele af undersøgelsen, " sagde de Moura.

Ud fra resultaterne af eksperimenterne og simuleringerne, det ser ud til, at UV-energi blev absorberet i partiklernes hjerter og omdannet gennem kvantemekaniske interaktioner, bliver cirkulært polariseret synligt lys, da det forlod de buede spidser.

Forskerne mener, at den taktik, de har afsløret, kan hjælpe videnskabsmænd med at konstruere partikler, der forbedrer biosensorer, elektronik og effektiviteten af ​​kemiske reaktioner.

Undersøgelsen har titlen, "Opståen af ​​kompleksitet i hierarkisk organiserede chirale partikler, " og er publiceret i tidsskriftet Videnskab .