Zelfassemblerende synthetische materialen komen samen als ze klein, uniforme bouwstenen werken op elkaar in en vormen een structuur. Echter, de natuur laat materialen zoals eiwitten van verschillende grootte en vorm samenkomen, waardoor complexe architecturen mogelijk zijn die meerdere taken aankunnen.

Ingenieurs van de Universiteit van Illinois hebben nader bekeken hoe niet-uniforme synthetische deeltjes zich assembleren en waren verrast toen ze ontdekten dat dit in meerdere fasen gebeurt, de deur openen voor nieuwe herconfigureerbare materialen voor gebruik in technologieën zoals zonnecellen en katalyse.

De bevindingen worden gerapporteerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

"Traditionele zelfassemblage kan worden gezien als een supermarkt die appels stapelt voor een display in de productafdeling, " zei Qian Chen, een professor in materiaalkunde en engineering en hoofdauteur van de nieuwe studie. "Ze zouden moeten werken met appels van vergelijkbare grootte en vorm - of deeltjes in het geval van zelfassemblage - om de structuur stevig te maken."

In de nieuwe studie Chen's groep observeerde het gedrag van zilveren platen op microschaal van verschillende grootte en nanoschaaldikte in vloeistoffen. Omdat de deeltjes die in zelfassemblerende materialen worden gebruikt zo klein zijn, ze gedragen zich als atomen en moleculen, waarmee onderzoekers klassieke scheikunde- en natuurkundetheorieën kunnen gebruiken om hun gedrag te begrijpen, aldus de onderzoekers.

De niet-uniforme deeltjes stoten af ​​en trekken aan volgens de natuurwetten in duidelijke, gedeïoniseerd water. Echter, als de onderzoekers zout aan het water toevoegen, veranderende elektrostatische krachten leiden tot een meerstaps assemblageproces. De niet-uniforme deeltjes beginnen te assembleren om kolommen van gestapelde zilveren platen te vormen en verder te assembleren tot steeds complexere, bestelde 3-D zeshoekige roosters, het team gevonden.

"We kunnen zien hoe de deeltjes zich in deze hiërarchie verzamelen met behulp van een lichtmicroscoop, " zei Binbin Luo, een afgestudeerde student materiaalwetenschappen en techniek en co-auteur van de studie. "Op deze manier, we kunnen deeltjesbewegingen één voor één volgen en de assemblagedynamiek in realtime bestuderen."

"De bevindingen van deze studie kunnen de ontwikkeling van herconfigureerbare zelf-assemblagematerialen mogelijk maken, " zei Ahyoung Kim, een afgestudeerde student materiaalwetenschappen en techniek en co-auteur van de studie. "Deze materialen kunnen veranderen van het ene type vast kristal in een ander type met verschillende eigenschappen voor verschillende toepassingen."

"Een ander voordeel van deze bevinding is dat het kan worden gegeneraliseerd naar andere soorten systemen, " zei Chen. "Als je een ander type nanodeeltje hebt, of het nu magnetisch of halfgeleidend is, dit hiërarchische assemblageprincipe is nog steeds van toepassing, waardoor nog meer soorten herconfigureerbare materialen mogelijk zijn."