In de niet zo verre toekomst, onderzoekers kunnen met een druk op de knop atomen volgens uw specificaties bouwen. Het is nog steeds het spul van science fiction, maar een team van de University of Colorado Boulder meldt dat het dichterbij komt als het gaat om het beheersen en samenstellen van deeltjes die 'grote atomen' worden genoemd.

Het nieuwe onderzoek, die op 29 mei wordt gepubliceerd in Natuur , centra rond colloïdale deeltjes die, wanneer gemengd met vloeibare kristallen, werken veel als de elementen van het periodiek systeem. Deze deeltjes geven natuurkundigen de mogelijkheid om te onderzoeken hoe waterstof, helium en andere atomen gedragen zich en interageren zonder te hoeven inzoomen op het atomaire niveau.

Door de grote atomen bloot te stellen aan verschillende soorten licht, bijvoorbeeld, het team liet zien dat het hun ladingen met een druk op de knop kon omdraaien. Met andere woorden, deeltjes die elkaar ooit aantrokken, stoten elkaar nu af.

"Omdat we zoveel controle hebben, we hebben de mogelijkheid om te ontwerpen hoe deze deeltjes assembleren en welke eigenschappen ze hebben, " zei Ivan Smalyukh, een professor in het departement Natuurkunde. "Het is als een toolkit voor ontwerpers."

Die designer-toolkit begint met een eenvoudig ingrediënt:vloeibare kristallen.

Deze materialen, die de scherpe beelden op uw smartphonescherm leveren, zijn vaak opgebouwd uit moleculen in nette opstellingen, zoals staven die allemaal in één richting wijzen.

In het laatste decennium of zo, echter, wetenschappers hebben iets vreemds opgemerkt aan deze vloeistofachtige materialen. Als je deeltjes laat vallen, zoals microscopisch kleine korrels silica, in vloeibare kristallen, de eens zo ordelijke moleculen binnenin zullen buigen en pletten om plaats te maken voor de nieuwe toevoegingen - een beetje alsof je een voetballijnwachter in een al overvolle metro duwt.

En, opmerkelijk, de manier waarop die vloeibare kristallen buigen, kan wiskundig analoog zijn aan de structuren van de elektronenschillen van atomen.

"Hoe de vloeibare kristallen rond de deeltjes buigen, is erg belangrijk, " zei Smalyukh, ook in de Materials Science Engineering Program en Department of Electrical, Computer, en Energietechniek. "Als je die moleculen verstoort, het kost energie, en die energie drijft interessante interacties aan."

Buig vloeibaar-kristalmoleculen precies op de juiste manier en de stukjes silica zullen in elkaar klinken alsof het twee atomen zijn die aan elkaar hechten, maar veel groter.

Het probleem, Smalyukh zei, is dat tot voor kort, wetenschappers hadden heel weinig controle over die interacties tussen grote atomen. Zijn groep had de oplossing.

Om hun unieke colloïdale mengsel te maken, Smalyukh en zijn collega's gebruikten stukjes silica in de vorm van zeshoeken voor hun grote atomen. Maar voordat die deeltjes in vloeibare kristallen worden geplot, de onderzoekers bedekten ze met een soort kleurstof die roteert wanneer ze worden blootgesteld aan verschillende soorten licht.

Toen de onderzoekers hun mengsel blootstelden aan een bepaald type blauw licht, de vloeibaar-kristalmoleculen zouden volgens één patroon rond de zeshoeken buigen. Gebruik een ander soort licht en ze zouden op een heel andere manier buigen.

De groep meldde dat ze de effectieve lading van een groot atoom in een opwelling van positief naar negatief en weer terug konden veranderen.

"Het is bijna alsof je licht kunt schijnen en materie in antimaterie kunt veranderen, " zei Ye Yuan, een postdoctoraal onderzoeker in de natuurkunde en hoofdauteur van de nieuwe studie. Andere coauteurs waren onder meer postdocs Qingkun Liu en Bohdan Senyuk.

En, Yuan zei, het team was in staat om die interacties te controleren met een gewone lamp met een filter erop - geen krachtige lasers nodig.

"In principe, we kunnen een goede zonnige dag hebben in Colorado en onze monsters naar buiten brengen en die interacties zien, ' zei Yuan.

Wat hem enthousiast maakt voor wat het team zou kunnen bouwen met deze grote atomen. De onderzoekers zijn van mening dat, met de juiste aanpassingen, ze zouden hun methode kunnen gebruiken om deeltjes op unieke manieren te assembleren, het creëren van nep-atomaire structuren die niet in de natuur bestaan ​​- en die structuren vervolgens net zo gemakkelijk oplossen.

"In sommige opzichten, we moeten nog uitzoeken wat we hiermee kunnen doen, ' zei Smalyukh.

Uw eigen periodiek systeem helemaal opnieuw bouwen? Blijf kijken.