2851
Команда дослідників з Массачусетського технологічного інституту (MIT) запропонувала несподіваний підхід до збирання наночастинок у впорядковані структури й отримала кристалічні ґратки, яких раніше ніколи не спостерігали. Про роботу розповідає видання ScienceAlert.
Протягом близько двох десятиліть загальноприйнятим правилом було робити молекули-з’єднувачі, або ліганди, між наночастинками жорсткими й фіксованими. Нова робота показує, що радикально протилежний підхід — використання «м’яких» і гнучких лігандів — може працювати не гірше, а в деяких аспектах навіть краще.
Як м’які ліганди керують зв’язками між частинками
Матеріали з наночастинок уже широко застосовують у різних галузях, але їх складно масштабувати: частинки зазвичай щільно пакуються, і для кожного конкретного застосування потрібна делікатна інженерія. Особливо важливим є контроль того, як саме частинки з’єднуються одна з одною на найменших масштабах.
У новому дослідженні вчені використовували наночастинки золота й ліганди з поширеного гнучкого полімеру PEG. Кінці цих полімерних ланцюгів мали позитивні або негативні заряди, що полегшувало утворення зв’язків між частинками.
На відміну від традиційних жорстких з’єднувачів, гнучкі полімерні ліганди могли вільно згинатися й збиратися пучками в місцях дотику наночастинок. Через це кількість ланцюгів, які реально брали участь у зв’язуванні між сусідніми частинками, виявлялася обмеженою — існувала «стеля» на число ланцюгів, що могли одночасно поєднувати дві частинки.
Цей ефект виявився принциповим: кількість і напрямки зв’язків між наночастинками можна було регулювати, змінюючи їхні розміри та довжину полімерних ланцюгів. Наприклад, менші частинки приводили до формування меншої кількості зв’язків.
Результат: нові впорядковані структури
Дослідники провели як експерименти, так і комп’ютерне моделювання, щоб простежити за тим, як поводяться ці системи. Вони створили два типи золотих наночастинок із протилежними зарядами й дали їм можливість самоорганізовуватися завдяки гнучким лігандам PEG.
У ході випробувань команда змогла отримати впорядковані кристалічні структури, яких раніше не спостерігали в подібних наноматеріалах. Функціональні властивості цих нових ґраток ще належить детально дослідити, але вже зараз результати виглядають багатообіцяльними.
Ключовий висновок полягав у тому, що жорсткого попереднього «проєктування» точок з’єднання або форм частинок не потрібно, щоб контролювати структуру. Ступінь гнучкості полімерних ланцюгів визначає, скільки зв’язків може мати кожна наночастинка, а отже, які саме ґратки утворюються.
Чому відмова від жорсткості працює
Раніше матеріалознавці намагалися тонко налаштовувати зв’язки між наночастинками, вирівнюючи їх із великою точністю або змінюючи їхню форму. Здавалося, що відхилення від жорсткої архітектури призведе до провалу збирання.
Однак у цій роботі дослідники показали, що, навпаки, максимальне «розм’якшення» з’єднувачів не руйнує структуру, а дає новий ступінь свободи. Зменшення числа контактів між частинками не означає втрати порядку — воно відкриває шлях до нових типів впорядкованих надґраток.
Такий підхід дає змогу створювати матеріали, у яких наночастинки не надто щільно запаковані. Це спрощує налаштування властивостей матеріалу й може полегшити масштабоване виробництво саме тих структур, які потрібні для конкретних задач.
Майбутні застосування і наступні кроки
На думку авторів роботи, новий спосіб керування зв’язками між наночастинками може стати основою для створення високоефективних матеріалів для різних сфер. Серед перспективних напрямів вони називають фотоніку (технології керування світлом), хімічний каталіз, медицину та сільське господарство.
Наступний етап досліджень передбачає випробування інших матеріалів наночастинок і різних типів лігандів, а також перевірку нових кристалічних структур у реальних застосуваннях. Лише після цього можна буде повніше оцінити їхні унікальні властивості.
Автори наголошують: коли відомо, з яких будівельних блоків складається матеріал і як саме вони розташовані, можна пояснити, чому він має ті чи інші характеристики. Керуючи цим розташуванням на рівні наночастинок, матеріалознавці отримують інструмент для створення принципово нових матеріалів із заданими властивостями.
М’які «перемички» дали змогу створити небачені нанокристали з’явилася спочатку на Цікавості.
