Undersøgelse afslører, hvordan man bryder symmetri i kolloide krystaller

Naturen holder på nogle få hemmeligheder. Mens der findes masser af strukturer med lav symmetri i naturen, har forskere været begrænset til højsymmetriske designs, når de syntetiserer kolloide krystaller, en værdifuld type nanomateriale, der bruges til kemisk og biologisk sansning og optoelektroniske enheder.

Nu har forskning fra Northwestern University og University of Michigan trukket gardinet tilbage og viser for første gang, hvordan lavsymmetriske kolloide krystaller kan laves – inklusive en fase, som der ikke er nogen kendt naturlig ækvivalent til.

"Vi har opdaget noget grundlæggende ved systemet til fremstilling af nye materialer," sagde Northwesterns Chad A. Mirkin. "Denne strategi til at bryde symmetri omskriver reglerne for materialedesign og syntese."

Forskningen blev offentliggjort i dag (13. januar) i tidsskriftet Nature Materials.

Mirkin er George B. Rathmann-professor i kemi ved Weinberg College of Arts and Sciences; en professor i kemisk og biologisk teknik, biomedicinsk teknik og materialevidenskab og teknik ved McCormick School of Engineering; og professor i medicin ved Feinberg School of Medicine. Han er også den stiftende direktør for International Institute for Nanotechnology.

Forskningen blev ledet af Mirkin og Sharon C. Glotzer, Anthony C. Lembke Department Chair of Chemical Engineering ved University of Michigan.

Nanopartikler kan programmeres og samles til ordnede arrays kendt som kolloide krystaller, som kan konstrueres til applikationer fra lyssensorer og lasere til kommunikation og databehandling.

"At bruge store og små nanopartikler, hvor de mindre bevæger sig rundt som elektroner i en krystal af metalatomer, er en helt ny tilgang til at bygge komplekse kolloide krystalstrukturer," sagde Glotzer.

I denne forskning blev metalnanopartikler, hvis overflader var belagt med designer-DNA, brugt til at skabe krystallerne. DNA'et fungerede som et kodebart bindingsmateriale og transformerede dem til det, der kaldes programmerbare atomækvivalenter (PAE'er). Denne tilgang giver enestående kontrol over formen og parametrene af krystalgitrene, da nanopartiklerne kan "programmeres" til at arrangere sig selv på specificerede måder, efter et sæt regler, der tidligere er udviklet af Mirkin og hans kolleger.

Men til dette punkt har videnskabsmænd ikke haft en måde at forberede gitter med visse krystalsymmetrier. Fordi mange PAE'er er isotrope - hvilket betyder, at deres strukturer er ensartede i alle retninger - har de en tendens til at arrangere i meget symmetriske samlinger, og det er vanskeligt at skabe lavsymmetriske gitter. Dette har begrænset den slags strukturer, der kan syntetiseres, og derfor de optiske egenskaber, der kan realiseres med dem.

Gennembruddet kom gennem en ny tilgang til at kontrollere valens. I kemi er valens relateret til arrangementet af elektroner omkring et atom. Det bestemmer antallet af bindinger atomet kan danne og den geometri, det antager. Med udgangspunkt i en nylig opdagelse af, at små PAE'er kan opføre sig som elektronækvivalenter, roaming gennem og stabilisere gitter af større PAE'er, ændrede Northwestern og Michigan-forskerne valensen af ​​deres elektronækvivalenter ved at justere tætheden af ​​DNA-strengene podet til deres overflader.

Dernæst brugte de avanceret elektronmikroskopi til at observere, hvordan ændring af valensen af ​​elektronækvivalenterne påvirkede deres rumlige fordeling blandt PAE'erne og derfor de resulterende gitter. De undersøgte også virkningerne af at ændre temperaturer og ændre forholdet mellem PAE'er og elektronækvivalenter.

"Vi udforskede mere komplekse strukturer, hvor kontrol over antallet af naboer omkring hver partikel producerede yderligere symmetribrud," sagde Glotzer. "Vores computersimuleringer hjalp med at tyde de komplicerede mønstre og afsløre de mekanismer, der gjorde det muligt for nanopartiklerne at skabe dem."

Denne tilgang satte scenen for tre nye, aldrig før syntetiserede krystallinske faser. Den ene, en tredobbelt dobbelt-gyroide struktur, har ingen kendt naturlig ækvivalent.

Disse lavsymmetriske kolloide krystaller har optiske egenskaber, der ikke kan opnås med andre krystalstrukturer og kan finde anvendelse i en lang række teknologier. Deres katalytiske egenskaber er også forskellige. Men de nye strukturer, der afsløres her, er kun begyndelsen på mulighederne, nu hvor betingelserne for at bryde symmetri er forstået.

"Vi er midt i en hidtil uset æra af materialesyntese og opdagelse," sagde Mirkin. "Dette er endnu et skridt fremad i at bringe nye, uudforskede materialer ud af skitsebogen og ind i applikationer, der kan drage fordel af deres sjældne og usædvanlige egenskaber."

Glotzer er også John Werner Cahn Distinguished University Professor of Engineering, Stuart W. Churchill Collegiate Professor of Chemical Engineering og professor i materialevidenskab og teknik, makromolekylær videnskab og teknik og fysik ved University of Michigan. Byeongdu Lee fra Argonne National Laboratory er en tilsvarende forfatter med Mirkin og Glotzer. + Udforsk yderligere

Elektronopførende nanopartikler hæmmer strømforståelsen af ​​stof