Нанокластеры самоорганизуются в иерархические сборки сантиметрового масштаба
Проект под руководством Корнелла создал синтетические нанокластеры, которые могут имитировать иерархическую самосборку на всем пути от нанометрового до сантиметрового масштаба, охватывающего семь порядков. Полученные синтетические тонкие пленки могут служить моделью для изучения биомиметических иерархических систем и будущих расширенных функций.
Предоставлено: Pixabay/CC0 общественное достояние
Природа может ненавидеть пустоту, но она определенно любит структуру. Сложные, самоорганизующиеся сборки встречаются повсюду в мире природы, от молекул двойной спирали ДНК до фотонных кристаллов, которые делают крылья бабочки такими красочными и переливающимися.
Проект под руководством Корнелла создал синтетические нанокластеры, которые могут имитировать эту иерархическую самосборку на всем пути от нанометрового до сантиметрового масштаба, охватывающего семь порядков. Полученные синтетические тонкие пленки могут служить моделью для изучения биомиметических иерархических систем и будущих расширенных функций.
Статья группы «Многомасштабные иерархические структуры из нанокластерной мезофазы», опубликованная 14 апреля в Nature Materials .
Ранее самым большим препятствием для создания этого типа синтетического наноматериала было отсутствие наноразмерных строительных блоков с необходимой универсальностью для взаимодействия во многих масштабах длины, позволяющих им организовываться в сложные структуры, как в биомолекулах.
Поэтому команда под руководством соавторов Ричарда Робинсона, адъюнкт-профессора материаловедения и инженерии в Инженерном колледже, и Тобиаса Ханрата, профессора Школы химической и биомолекулярной инженерии Смита, обратилась к сульфиду кадмия, проверенному временем настоящий материал для исследования наночастиц.
В отличие от предыдущих попыток синтезировать соединение, группа выполнила вариант синтеза с высокой концентрацией, в котором использовалось очень мало растворителя. В результате были получены «кластеры магического размера» из 57 атомов длиной около 1,5 нанометра. Каждая из этих наночастиц имела оболочку из лигандов — особых связывающих молекул, — которые могли взаимодействовать друг с другом таким образом, что образовывали нити длиной в несколько микрон и шириной в сотни нанометров. По словам Робинсона, нити «периодически украшались этими скоплениями магического размера, как супермагистраль автомобилей, с идеальным расстоянием между ними».
«Если вы посмотрите на переднюю часть нити, вниз по центру, то увидите, что она имеет как радиальную, так и шестиугольную структуру», — сказал он. «И поскольку эти структурированные нити имеют привлекательные запутывания, оказывается, что когда они высушены в правильных условиях, они будут самособираться с дальним порядком».
Примечательно, что благодаря тщательному контролю геометрии испарения нити скручивались в более крупные кабели длиной в сотни микрон, а затем кабели связывались вместе и выравнивались в строго упорядоченные полосы, что в конечном итоге приводило к тонкой пленке с рисунком в сантиметровом масштабе.
«Обычно вы не можете синтезировать что-то, что имеет иерархическую организацию от нанометра до семи порядков больше. Я думаю, что это действительно особый соус», — сказал Робинсон. «Сборки имитируют множество интересных природных продуктов — природную минерализацию, природную фотонику — то, что происходит в природе, но мы не смогли успешно воспроизвести в лаборатории».
Смесь органических и неорганических взаимодействий дает кластерам магического размера возможность создавать пленки с идеальной периодической структурой. Тот факт, что тонкая пленка может отображать весь спектр радуги, что продемонстрировали исследователи, является доказательством ее безупречной структуры.
«Вполне вероятно, что люди не видели этого раньше, потому что большинство синтезов проводилось при низких концентрациях, поэтому у вас много растворителя. У них разные взаимодействия лиганд-лиганд», — сказал он. «Мы изменили это. Мы переместили шкалу на один щелчок десятичного знака, и мы создали этот синтез без растворителя».
Одним из наиболее интригующих аспектов пленки наноматериала является то, что она демонстрирует хиральные оптические свойства — несимметричное поглощение поляризованного света — которые, вероятно, проявляются на уровне наночастиц, и эта характеристика усиливается вплоть до макроскопического масштаба. Тонкие пленки также имеют некоторое удивительное сходство с жидкими кристаллами.
Чтобы лучше понять поведение самоорганизации, Робинсон и Ханрат проконсультировались с группой сотрудников.
Лена Куркутис, доцент прикладной и инженерной физики , провела электронную микроскопию , которая позволила команде увидеть, где наночастицы были расположены внутри нитей. Юлия Дшемучадзе, доцент кафедры материаловедения и инженерии, теоретизировала правила, регулирующие сборку и устойчивость нитей. Исследователи из Университета Торонто и Рочестерского технологического института оценили взаимодействия между электрическими диполями, которые ориентируют кластеры, и разработали теоретическую модель, которая показала, почему метод испарения заставляет нанокластеры образовывать такую идеально периодическую пленку соответственно.
Открытие замечательных многомасштабных структур открывает новые возможности для разработки технологий, использующих их новые хироптические свойства.
«Уникальные взаимодействия света и материи этих хироптических метаматериалов могут быть использованы для целого ряда потенциальных приложений, от датчиков, катализа и детекторов света с круговой поляризацией до дальнейших перспектив в спинтронике, квантовых вычислениях и голографии», — сказал Ханрат.
