Binære mesokrystaller fra nanobyggesættet

Mesokrystaller er en klasse af faste stoffer dannet af det regelmæssige arrangement af nanokrystaller, som er bittesmå nanopartikler, der har unikke egenskaber på grund af deres lille størrelse. I mesokrystaller antager disse en meget organiseret, overordnet form i et tæt pakket gitter. Et tysk-schweizisk forskerhold ledet af professor Helmut Cölfen, en kemiker fra Konstanz, er nu lykkedes med at syntetisere særligt komplekse mesokrystaller med stort set ukendte kemiske og fysiske egenskaber og kaste lys over deres struktur.

Hvad er så specielt? To forskellige nanokrystaller - platin- og magnetitterninger - er de grundlæggende byggesten i de nye faste stoffer, der selv samles til en tredimensionel overbygning. Indtil nu kunne mesokrystaller fra to forskellige grundlæggende byggesten, kaldet binære mesokrystaller, kun fremstilles som todimensionelle strukturer.

Den syntetiske vej og strukturelle karakterisering af de 3D binære mesokrystaller af platin og magnetit nanokrystaller er netop blevet beskrevet i tidsskriftet Angewandte Chemie International Edition . Resultaterne af undersøgelsen er det første skridt mod et potentielt "byggesætsystem", der måske i fremtiden vil gøre det muligt at kombinere egenskaberne af forskellige nanokrystaller på en målrettet måde og overføre dem til den mere overskuelige mikroverden – hvilket resulterer i en mængde af mulige fordele og anvendelser.

Nanoteknologi i det antikke Rom

De grundlæggende byggesten i mesokrystaller er nanokrystaller. På grund af deres lille størrelse, som kan være endnu mindre end viruss, udviser de unikke egenskaber, som større partikler af samme materiale mangler. Dette inkluderer den kompliceret klingende 'kvantestørrelseseffekt', som kan observeres i halvledernanopartikler med en diameter i nanometerområdet, hvilket resulterer i størrelsesafhængig farve, som blandt andet spiller en vigtig rolle i produktionen af ​​LED'er. Et andet eksempel er overfladeplasmonresonanseffekten, som giver metalnanopartikler størrelsesafhængige optiske egenskaber.

Menneskeheden gjorde brug af nogle af disse nano-egenskaber allerede i Romerrigets tid. Et berømt eksempel er Lycurgus Cup fra det fjerde århundrede, nu udstillet i British Museum, hvis glaselementer skifter farve afhængigt af lysindfaldet og synsvinklen. Årsagen:Koppens glas er imprægneret med guld og sølv nanopartikler, der demonstrerer overfladeplasmonresonanseffekten. De stærke og holdbare farver i middelalderlige kirkevinduer er også baseret på denne effekt, da der er støbt guld-nanopartikler ind i rudernes glas.

Det bedste fra to verdener

"Ved at skabe mesokrystaller fra nanokrystaller kan det nu være muligt at overføre disse og andre egenskaber, som tidligere var forbeholdt de mindste faste stoffer, til faste stoffer med størrelser i mikrometerområdet," forklarer Helmut Cölfen, professor i fysisk kemi ved University of Konstanz og leder af forskningsprojektet. "Dette gør mesokrystaller til ekstremt interessante genstande i materialeforskning."

Mikrometerskalaen omfatter objekter, der er op til 100.000 gange større end nanopartikler, hvilket stadig er meget lille, men gør en kæmpe forskel i partiklernes håndterbarhed. For eksempel kan partikler med størrelser i mikrometerområdet filtreres meget bedre end nanopartikler. I tilfælde af faste stoffer som mesokrystaller eliminerer dette også en afgørende ulempe ved nanopartikler:deres potentielle toksicitet. Tidligere er nanopartikler i stigende grad blevet fokus for sundhedsforskningen, da de nemt kan komme ind i kroppen gennem huden, maden eller åndedrættet, når de er i ubundet tilstand. "På grund af deres lille størrelse kan nanopartikler overvinde vigtige beskyttende barrierer i den menneskelige krop. De væsentligt større mesokrystaller kan derimod ikke," siger Helmut Cölfen.

Nå målet med tålmodighed

Som beskrevet i den aktuelle undersøgelse, for at producere de hidtil unikke 3D binære mesokrystaller fra platin og magnetit nanokrystaller beskrevet i den aktuelle undersøgelse, lægges disse terningformede grundlæggende byggeklodser først i et opløsningsmiddel, og der skabes en dispersion. Blandingsforholdet spiller her en afgørende rolle og afspejles senere i sammensætningen af ​​mesokrystallen. "Hvis vi skulle tage en dråbe af byggeklodsblandingen og blot lade opløsningsmidlet fordampe, ville vi også få en binær mesokrystal, men den ville være todimensionel i stedet for tredimensionel. Derfor måtte vi finde på noget nyt at skabe tredimensionelle mesokrystaller," rapporterer Helmut Cölfen.

Nøglen til succes:Deceleration. Til dette formål lægges dispersionen med nanokrystallerne i en ekstra, lukket beholder indeholdende et kemikalie, hvori nanokrystallerne ikke kan opløses - et "ikke-opløsningsmiddel", så at sige. Herefter er det bare at vente og se. Langsomt, i løbet af flere dage, fordamper ikke-opløsningsmidlet gradvist og blandes i stigende grad med nanokrystaldispersionen. "På et tidspunkt begynder nanokrystallerne at interagere ved at docke til hinanden på grund af stigningen af ​​ikke-opløsningsmiddel i dispersionen. Normalt sker sådan noget hurtigt og ukontrolleret. Ved at forlænge processen via fordampningen af ​​ikke-opløsningsmidlet over flere dage og dermed reducerer effekten af ​​det faktiske opløsningsmiddel kun gradvist i stedet for pludselig, processen er meget mere kontrolleret. Resultatet af vores metode er "store," tredimensionelle mesokrystaller," forklarer Helmut Cölfen.

Nye, uudforskede egenskaber dukker op

Efter at Konstanz-kemikerne ledet af Helmut Cölfen med succes havde syntetiseret de tredimensionelle mesokrystaller, karakteriserede de deres nøjagtige struktur i samarbejde med schweiziske kolleger fra Center for røntgenanalyse ved de schweiziske føderale laboratorier for materialevidenskab og -teknologi (Empa) i St. Gallen og Paul Scherrer Instituttet (PSI) i Villingen. De var i stand til at demonstrere, at faktiske tredimensionelle, binære mesokrystaller af platin og magnetit nanokrystaller dannes under syntese. Indtil videre kan forskerne kun spekulere i de fuldstændige fysiske og kemiske egenskaber af disse nye faste stoffer.

Kombinationen af ​​de to egenskaber ville så resultere i en meget god kemisk katalysator på grund af platinkomponenten, som igen let kunne adskilles og genvindes med en magnet efter brug på grund af magnetitkomponenten. Det værdifulde materiale platin ville ikke gå tabt. Men mesokrystaller bevarer ikke kun egenskaberne af de nanokrystaller, de indeholder, de besidder også egenskaber, der går ud over deres individuelle byggestens. ”Når de enkelte nanokrystaller interagerer og kobler sig sammen i mesokrystallets overordnede struktur, skabes der helt nye, kollektive egenskaber, som de enkelte partikler slet ikke selv har,” forklarer Helmut Cölfen begejstret og fortsætter:”Udforsker disse i detaljer i fremtiden. bliver ekstremt spændende."

Det første skridt mod et potentielt byggesætsystem

Produktionen af ​​tredimensionelle mesokrystaller fra platin og magnetit nanokuber skal ikke være slutningen på historien. Tværtimod er målet også at kombinere andre nanokrystaller i fremtiden ved hjælp af den udviklede proces. Ifølge forskerne er deres resultater snarere det første skridt hen imod et potentielt byggesætsystem:"Vores mål er at forfine metoden, så ideelt set en bred vifte af nanokrystaller og deres egenskaber kan kombineres på hvilken som helst måde, vi ønsker - slags af ligesom LEGO klodser," giver Helmut Cölfen et blik og fortsætter med et smil:"Platinmagnetit mesokrystallet ville så at sige være det første lille tårn, som vi byggede af vores sten."

"At producere strukturer som vores tredimensionelle, binære mesokrystaller var netop et af målene for dette Collaborative Research Center. Det, vi skal gøre nu, er at karakterisere interaktionerne mellem nanobyggestenene og at studere de resulterende, nye egenskaber," konkluderer. Helmut Cölfen. + Udforsk yderligere

Forskere opdager en ny vej til at danne komplekse krystaller