De vreemde klasse van materialen die bekend staat als quasikristallen heeft een nieuw lid. In een donderdag gepubliceerd artikel 20 december in Wetenschap , onderzoekers van Brown University beschrijven een quasikristallijn superrooster dat zichzelf assembleert uit een enkel type bouwstenen van nanodeeltjes.

Dit is de eerste definitieve waarneming van een quasikristallijn superrooster gevormd uit een enkele component, zeggen de onderzoekers. De ontdekking geeft nieuw inzicht in hoe deze vreemde kristalachtige structuren kunnen ontstaan.

"Qua-kristalroosters met één component zijn wiskundig en in computersimulaties voorspeld, maar was niet eerder aangetoond, " zei Ou Chen, een assistent-professor scheikunde bij Brown en senior auteur van het papier. "Het is een fundamenteel nieuw type quasikristal, en we hebben de regels bedacht om het te maken, die nuttig zal zijn bij de verdere studie van quasikristalstructuren."

Quasikristalmaterialen werden voor het eerst ontdekt in de jaren tachtig door de scheikundige Dan Shechtman, die in 2011 de Nobelprijs kreeg voor de ontdekking. In tegenstelling tot kristallen, die bestaan ​​uit geordende patronen die zich herhalen, quasikristallen zijn geordend, maar hun patronen herhalen zich niet. Quasikristallen hebben ook symmetrieën die niet mogelijk zijn in traditionele kristallen. Normale kristallen, bijvoorbeeld, kan drievoudige symmetrieën hebben die voortkomen uit herhalende driehoeken of viervoudige symmetrie uit herhalende kubussen. Twee- en zesvoudige symmetrieën zijn ook mogelijk. Maar quasikristallen kunnen exotische vijf-, 10- of 12-voudige symmetrieën, die allemaal "verboden" zijn in normale kristallen.

De eerste quasikristallijne materialen die werden ontdekt, waren metaallegeringen, meestal aluminium met een of meer andere metalen. Tot dusver, deze materialen zijn gebruikt als antiaanbaklaag voor koekenpannen en corrosiewerende coatings voor chirurgische apparatuur. Maar er is veel interesse geweest in het maken van nieuwe soorten quasikristalmaterialen, inclusief materialen gemaakt van zelfassemblerende nanodeeltjes.

Chen en zijn collega's waren oorspronkelijk niet begonnen met het onderzoeken van quasikristallen. Veel van Chens werk ging over het overbruggen van de kloof tussen de werelden op nanoschaal en macroschaal door superstructuren te bouwen uit bouwstenen van nanodeeltjes. Ongeveer twee jaar geleden, hij ontwierp een nieuw type bouwsteen voor nanodeeltjes:een tetraëdrische (piramidevormige) kwantumstip. Terwijl het meeste onderzoek naar het bouwen van structuren uit nanodeeltjes is gedaan met bolvormige deeltjes, Chen's tetraëders kunnen strakker worden verpakt en mogelijk complexere en robuustere structuren vormen.

Een ander belangrijk kenmerk van Chen's deeltjes is dat ze anisotroop zijn, wat betekent dat ze verschillende eigenschappen hebben, afhankelijk van hun oriëntatie ten opzichte van elkaar. Eén zijde van elk piramidedeeltje heeft een ander ligand (een bindmiddel) dan alle andere zijden. Gezichten met soortgelijke liganden hebben de neiging om met elkaar te binden wanneer de deeltjes zichzelf assembleren tot grotere structuren. Die gerichte binding zorgt voor interessantere en complexere structuren in vergelijking met deeltjes zonder anisotropie.

In onderzoek dat onlangs in het tijdschrift is gepubliceerd Natuur , Chen en zijn team demonstreerden een van de meest complexe superstructuren die tot nu toe zijn gemaakt met bouwstenen van nanodeeltjes. In dat werk, de superstructuren werden geassembleerd terwijl de deeltjes een interactie aangingen met een vast substraat. Voor dit laatste werk Chen en zijn collega's wilden zien wat voor soort structuren de deeltjes zouden maken wanneer ze op een vloeibaar oppervlak zouden worden geassembleerd, wat de deeltjes meer vrijheidsgraden geeft bij het samenstellen.

Het team was geschokt toen ze ontdekten dat de resulterende structuur eigenlijk een quasikristallijn rooster was.

"Toen ik me realiseerde dat het patroon dat ik zag een quasikristal was, Ik mailde Ou en zei:'Ik denk dat ik iets super-geweldigs heb gevonden, '" zei Yasutaka Nagaoka, een postdoctoraal wetenschapper in Chen's lab en de hoofdauteur van het nieuwe artikel. "Het was echt spannend."

Met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie, de onderzoekers toonden de deeltjes geassembleerd tot discrete tienhoeken (10-zijdige polygonen), die zichzelf aan elkaar hechtten om een ​​quasikristalrooster te vormen met een 10-voudige rotatiesymmetrie. Die 10-voudige symmetrie, verboden in gewone kristallen, was een veelbetekenend teken van een quasikristallijne structuur.

De onderzoekers waren ook in staat om de "regels" te raden waardoor hun structuur werd gevormd. Terwijl tienhoeken de primaire eenheden van de structuur zijn, ze zijn niet - en kunnen niet zijn - de enige eenheden in de structuur. Het vormen van een quasikristal lijkt een beetje op het betegelen van een vloer. De tegels moeten zo in elkaar passen dat ze de hele vloer bedekken zonder gaten achter te laten. Dat kan niet met alleen tienhoeken, want er is geen manier om ze samen te voegen zonder gaten. Er zijn andere vormen nodig om de gaten te vullen.

Hetzelfde geldt voor deze nieuwe quasi-kristalstructuur - ze hebben secundaire "tegels" nodig die de gaten tussen tienhoeken kunnen opvullen. De onderzoekers ontdekten dat wat hun structuur in staat stelde om te werken, is dat de tienhoeken flexibele randen hebben. Wanneer nodig, een of meer van hun punten kunnen worden afgevlakt. Door dat te doen, ze kunnen veranderen in polygonen met negen, acht, zeven, zes of vijf zijden - wat er ook nodig was om de ruimte tussen tienhoeken te vullen.

"Deze tienhoeken bevinden zich in deze besloten ruimte die ze vreedzaam moeten delen, "Zei Chen. "Dus ze doen het door hun randen flexibel te maken wanneer dat nodig is."

Uit die observatie, the researchers were able to develop a new rule for forming quasicrystals that they call the "flexible polygon tiling rule." That rule, Chen zegt, will be useful in continued study of the relatively new area of quasicrystals.

"We think this work can inform research in material science, scheikunde, mathematics and even art and design, ' zei Chen.