Spontan krumning nøglen til formskiftende nanomaterialer, finder undersøgelse

Inspireret af naturen har forskere i nanoteknologi identificeret "spontan krumning" som nøglefaktoren, der bestemmer, hvordan ultratynde, kunstige materialer kan forvandles til nyttige rør, snoninger og helixer.

Større forståelse af denne proces – som efterligner hvordan nogle frøkapsler åbner sig i naturen – kunne låse op for en række nye chirale materialer, der er 1.000 gange tyndere end et menneskehår, med potentiale til at forbedre designet af optiske, elektroniske og mekaniske enheder.

Chirale former er strukturer, der ikke kan overlejres på deres spejlbillede, ligesom din venstre hånd er et spejlbillede af din højre hånd, men som ikke kan passe perfekt oven på den.

Spontan krumning induceret af bittesmå molekyler kan bruges til at ændre formen på tynde nanokrystaller, påvirket af krystalbredden, tykkelsen og symmetrien.

Forskningen, offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences , blev udført af medlemmer af National Center for Scientific Research (CNRS) i Frankrig sammen med deres ARC Center of Excellence in Exciton Science-kolleger, baseret på University of Sydney.

Shapeshifting på nanoskala

Forestil dig et stykke papir, der, når det dyppes i en opløsning, vrider sig eller krøller til en spiral uden nogen ydre kraft. Dette svarer til, hvad der sker på nanoskala med visse tynde materialer.

Forskere har opdaget, at når visse typer af halvledende nanoplader - ekstremt tynde, flade krystaller - er belagt med et lag af organiske molekyler kaldet ligander, krøller de sig til komplekse former, herunder rør, snoninger og helixer. Denne transformation er drevet af de forskellige kræfter, som liganderne udøver på top- og bundfladen af ​​nanoblodpladerne.

Betydningen af ​​dette fund ligger i evnen til at forudsige og kontrollere formen af ​​disse nanoplader ved at forstå interaktionen mellem liganderne og nanopladens overflade.

Fra naturens design til innovation i nanoskala

Inspirationen til denne forskning stammer fra at observere naturlige fænomener, hvor spiralformede strukturer er fremherskende, fra DNA'et i vores celler til den spontane vridning af frøbælge. Disse strukturer besidder unikke egenskaber, som er yderst ønskelige inden for materialevidenskab for deres potentielle anvendelser inden for mekanik, elektronik og optik.

Nanoblodplader med deres evne til at danne spiralformede strukturer og exceptionelle optiske egenskaber på grund af kvanteindeslutning skiller sig ud som en førsteklasses kandidat til at skabe nye materialer med specifikke egenskaber. Disse kunne omfatte materialer, der selektivt reflekterer lys, leder elektricitet på nye måder eller har unikke mekaniske egenskaber.

En ramme for fremtidige teknologier

Implikationerne af denne forskning er betydelige. Ved at give en ramme til at forstå og kontrollere formen af ​​nanoblodplader har forskerne et nyt værktøj til at designe materialer med præcist afstemte egenskaber til brug i teknologier lige fra avanceret elektronik til lydhøre, smarte materialer.

For eksempel kunne nanoblodplader konstrueres til at ændre form som reaktion på miljøforhold, såsom temperatur eller lys, og bane vejen for materialer, der tilpasser sig og reagerer på deres omgivelser. Dette kan føre til gennembrud i at skabe mere effektive sensorer.

Desuden antyder undersøgelsen muligheden for at skabe materialer, der kan skifte mellem forskellige former med minimalt energitilførsel, en funktion, der kunne udnyttes til at udvikle nye former for aktuatorer eller kontakter på nanoskala.

Flere oplysninger: Debora Monego et al., Ligand-inducerede inkompatible krumninger kontrollerer ultratynde nanoblodpladepolymorfi og chiralitet, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2316299121

Leveret af ARC Center of Excellence in Exciton Science