Nanoklynger organiserer sig selv i centimeterskala hierarkiske samlinger

Naturen kan afsky et vakuum, men den elsker helt sikkert struktur. Komplekse, selvorganiserede samlinger findes i hele den naturlige verden, fra dobbelthelix-DNA-molekyler til de fotoniske krystaller, der gør sommerfuglevinger så farverige og iriserende.

Et Cornell-ledet projekt har skabt syntetiske nanoklynger, der kan efterligne denne hierarkiske selvsamling hele vejen fra nanometer til centimeterskalaen, der spænder over syv størrelsesordener. De resulterende syntetiske tynde film har potentialet til at fungere som et modelsystem til at udforske biomimetiske hierarkiske systemer og fremtidige avancerede funktioner.

Gruppens papir, "Multiscale Hierarchical Structures from a Nanocluster Mesophase," offentliggjort den 14. april i Nature Materials .

Tidligere har den største hindring for at skabe denne type syntetiske nanomateriale været manglen på nanoskala byggesten med den nødvendige alsidighed til at interagere på tværs af mange længdeskalaer, hvilket gør dem i stand til at organisere sig i komplekse strukturer, som findes i biomolekyler.

Så et hold ledet af co-senior forfattere Richard Robinson, lektor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab ved College of Engineering, og Tobias Hanrath, professor ved Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering, vendte sig til cadmiumsulfid, en afprøvet og- sandt materiale til forskning i nanopartikler.

I modsætning til tidligere bestræbelser på at syntetisere forbindelsen udførte gruppen en højkoncentrationsversion af syntese, der brugte meget lidt opløsningsmiddel. Processen producerede "klynger i magisk størrelse" af 57 atomer, omkring 1,5 nanometer i længden. Hver af disse nanopartikler havde en skal af ligander - specielle bindingsmolekyler - der kunne interagere med hinanden på en sådan måde, at de dannede filamenter flere mikrometer lange og hundredvis af nanometer brede. Filamenterne blev "periodisk dekoreret med disse klynger i magisk størrelse, som en motorvej af biler, med perfekt afstand mellem dem," ifølge Robinson.

"Hvis du kigger ned på forsiden af ​​filamentet, ned i midten, er det både radialt organiseret og sekskantet struktureret," sagde han. "Og fordi disse strukturerede filamenter har attraktive sammenfiltringer, viser det sig, at når de er tørret under de rigtige forhold, vil de selv samles med lang rækkefølge."

Bemærkelsesværdigt nok, ved omhyggelig at kontrollere fordampningsgeometrien, snoede filamenterne sig til større kabler, der er hundredvis af mikron lange, og kablerne blev derefter bundtet sammen og justeret i højt ordnede bånd, hvilket i sidste ende resulterede i en tynd film, der er mønstret i centimeterskalaer.

"Normalt kan du ikke syntetisere noget, der har hierarkisk organisation fra nanometeret til syv størrelsesordener større. Jeg tror, ​​det er virkelig den særlige sauce," sagde Robinson. "Forsamlingerne efterligner en masse interessante naturlige produkter - naturlig mineralisering, naturlig fotonik - ting, der forekommer i naturen, som vi ikke har været i stand til at reproducere med succes i laboratoriet."

Blandingen af ​​organiske og uorganiske interaktioner giver klyngerne i magisk størrelse muligheden for at skabe film med perfekt periodisk mønster. Det faktum, at den tynde film kan vise hele spektret af en regnbue, hvilket forskerne demonstrerede, er et bevis på dens fejlfri struktur.

"Det er sandsynligt, at folk ikke har set dette før, fordi de fleste synteser er blevet udført ved lave koncentrationer, så du har en masse opløsningsmiddel. De har ikke de samme ligand-ligand-interaktioner," sagde han. "Vi ændrede det. Vi flyttede skalaen med et klik på decimalen, og vi skabte denne opløsningsmiddelfri syntese."

Blandt de mest spændende aspekter af nanomaterialefilmen er, at den viser chirale optiske egenskaber - den ikke-symmetriske absorption af polariseret lys - som sandsynligvis er manifesteret på nanopartikelniveauet, og denne egenskab forstærkes helt op til den makroskopiske skala. De tynde film deler også nogle overraskende ligheder med flydende krystaller.

For bedre at forstå adfærden i selvorganiseringen konsulterede Robinson og Hanrath en gruppe samarbejdspartnere.

Lena Kourkoutis, lektor i anvendt og teknisk fysik, håndterede elektronmikroskopi, der gjorde det muligt for holdet at se, hvor nanopartiklerne var placeret i filamenterne. Julia Dshemuchadse, assisterende professor i materialevidenskab og teknik, teoretiserede reglerne, der styrer filamenternes samling og stabilitet. Forskere fra University of Toronto og Rochester Institute of Technology estimerede vekselvirkningerne mellem de elektriske dipoler, der orienterer klyngerne, og udviklede en teoretisk model, der viste, hvorfor fordampningsmetoden fik henholdsvis nanoclusterne til at danne sådan en perfekt periodisk film.

Opdagelsen af ​​de bemærkelsesværdige multi-skala strukturer åbner nye veje til at udvikle teknologier, der udnytter deres nye kirotiske egenskaber.

"De unikke lys-stof-interaktioner af disse kirotiske metamaterialer kan bruges til en række potentielle anvendelser, fra sensing, katalyse og cirkulære polariserede lysdetektorer til yderligere muligheder inden for spintronik, kvanteberegning og holografi," sagde Hanrath. + Udforsk yderligere

Forskere skaber nanoclusters, der efterligner biomolekyler