Bund og op-konstruktion med et 2D-twist kunne give nye materialer

Tetraederformede nanopartikler er interessante nok i sig selv, men under de rigtige omstændigheder har Rice University-forskere opdaget, at de gør noget bemærkelsesværdigt.

Mens de lavede et rutinetjek på et parti små guldtetraeder, fandt riskemikeren Matthew Jones og kandidatstuderende Zhihua Cheng ud af, at deres mikroskopiske partikler havde den uventede evne til at arrangere sig selv i 2D chirale overbygninger.

Opdagelsen, som er beskrevet i en ny undersøgelse i Nature Communications , er sandsynligvis den første kendte spontane selvsamling af en plan chiral struktur, sagde Jones.

Chirale strukturer er spejlmodsætninger, lignende former, som højre og venstre hånd, der ikke kan overlejres på hinanden. Det er en vigtig forskel i lægemiddeldesign, hvor chirale molekyler kan være terapeutiske i den ene hånd og giftige i den anden.

Tetraeder i sig selv er ikke chirale - det vil sige, at de kan overlejres på deres spejlbilleder. Det gjorde det dobbelt så overraskende, at de så let faldt i chirale former under eksperimenter, når de fordampede på en overflade, sagde Jones.

"Dette er uventet," sagde han. "Det er meget sjældent at se en chiral struktur dannes, når dine byggesten ikke er chirale."

Jones sagde, at de 2D-supergitter, som tetraedrene skaber, kan føre til fremskridt inden for metamaterialer, der manipulerer lys og lyd på nyttige måder. "Der er en hel række af artikler, der forudsiger nogle af de mest interessante egenskaber fra optiske metamaterialer opstår i strukturer, der har chiralitet på denne længdeskala," sagde han.

De chirale overflader skabt på Rice er ultratynde samlinger af partikler, der inkorporerer venstrehåndede og højrehåndede domæner i lige mange. Det har betydning for, hvordan de behandler cirkulært polariseret lys, et nyttigt værktøj inden for spektroskopi og plasmonik.

Jones sagde, at en måde at bygge præcise 2D-strukturer på er at starte med et stort stykke materiale og arbejde fra toppen og ned, som en billedhugger, og fjerne uønskede bidder for at nå frem til den ønskede form. Selvmontering er en bottom-up tilgang, hvor en stor struktur, som et træ, vokser fra sammenføjning af utallige små stykker. Bottom-up samling er typisk den hurtigere og mere effektive af de to tilgange.

"Det meste af tiden bruger folk sfæriske partikler i selvsamling, men du kan bare ikke få så meget kompleksitet med hensyn til strukturen," sagde Jones. "Min gruppe tager ikke-sfæriske partikler og forsøger at få dem til at samle sig i mere sofistikerede strukturer."

Efter at have opdaget en måde at lave velformede guld nano-tetraeder, lagde Jones og Cheng dem i en opløsning og placerede en dråbe på et substrat. "Vi lader bare dråben fordampe, og det, vi får ud, er disse fantastiske supergitter," sagde han.

"Der er to ting, der gør dem fantastiske," sagde han. "Den ene er, at de udelukkende er todimensionelle, og den anden, som er mere interessant, er, at de er chirale."

Jones og Cheng troede oprindeligt, at partiklerne kunne vokse i tre dimensioner, "men vi forstår nu, hvordan de danner en så kompliceret 2D-struktur, der er to partikler tyk," sagde Jones.

Cheng sagde:"I begyndelsen forventede vi slet ikke, at de skulle samles. Jeg ville bare se, at partiklerne var rene og ensartede i størrelse. Da jeg så de forskellige chirale arrangementer, var det en total overraskelse for mig, at de samledes til sådanne en fed struktur!"

Jones sagde, at partiklerne drager fordel af adskillige fænomener, når de samles, herunder van der Waals-kræfter, elektrostatisk frastødning mellem molekylerne på tetraederoverfladerne og det substrat, dråben er placeret på. "Over tid, efterhånden som dråben fordamper, går partiklerne fra for det meste frastødende til stærkt tiltrækkende, og det er sådan, de krystalliserer til supergitter," sagde han.

Materialets sekskantede domæner dannes, når tetraedrene samles med deres spidser enten op eller ned. Efterhånden som partiklerne samles, mødes deres punkter til sidst, hvilket kræver, at de glider lidt forbi hinanden for at fortsætte med at komme tættere på hinanden. Dette tvinger alle partiklerne i den samlende sekskant til tilfældigt at rotere den ene eller den anden vej og danner venstre- og højrehåndede chirale domæner.

Jones bemærkede, at der er et matematisk grundlag for fænomenet, som nogen i sidste ende kan finde ud af.

"Det var først for nylig, at den tætteste pakning af kugler blev matematisk bevist, så det kan tage noget tid, før vi kan forvente noget lignende for tetraedre," sagde han. "Det er meget, meget kompliceret."

Jones sagde, at han ser muligheden for en dag at "samle et materiale som dette ved overfladen af ​​en swimmingpool", så avancerede metamateriale-belægninger kan påføres stort set ethvert objekt ved blot at dyppe det gennem væskeoverfladen. + Udforsk yderligere

Metamateriale forbedrer signifikant chirale nanopartikelsignaler