Met alleen elektrostatische lading, gewone microdeeltjes kunnen zichzelf spontaan organiseren in sterk geordende kristallijne materialen - het equivalent van tafelzout of opalen, volgens een nieuwe studie onder leiding van chemici van de New York University en gepubliceerd in Natuur .

"Ons onderzoek werpt nieuw licht op zelfassemblageprocessen die kunnen worden gebruikt om nieuwe functionele materialen te vervaardigen, " zei Stefano Sacanna, universitair hoofddocent scheikunde aan de NYU en de senior auteur van de studie.

Zelfassemblage is een proces waarbij kleine deeltjes elkaar herkennen en zich op een vooraf bepaalde manier binden. Deze deeltjes komen samen en assembleren spontaan tot iets nuttigs, na een activerende gebeurtenis, of een wijziging in de voorwaarden.

Een benadering om deeltjes te programmeren om op een bepaalde manier te assembleren, is ze te bekleden met DNA-strengen; de genetische code instrueert de deeltjes hoe en waar ze met elkaar moeten binden. Echter, omdat deze aanpak een aanzienlijke hoeveelheid DNA vereist, het kan duur zijn en is beperkt tot het maken van zeer kleine monsters.

In hun studie in Natuur , de onderzoekers kozen voor een andere benadering van zelfassemblage met behulp van een veel eenvoudigere methode. In plaats van DNA te gebruiken, ze gebruikten elektrostatische lading.

Het proces is vergelijkbaar met wat er gebeurt als je zout in een pan water mengt, legde Sacanna uit. Wanneer zout aan water wordt toegevoegd, de kleine kristallen lossen op in negatief geladen chloorionen en positief geladen natriumionen. Als het water verdampt, de positief en negatief geladen deeltjes recombineren tot zoutkristallen.

"In plaats van atomaire ionen te gebruiken zoals die in zout, we gebruikten colloïdale deeltjes, die duizenden malen groter zijn. Als we de colloïdale deeltjes onder de juiste omstandigheden met elkaar mengen, ze gedragen zich als atomaire ionen en vormen zichzelf tot kristallen, ' zei Sacanna.

Het proces maakt het mogelijk om grote hoeveelheden materialen te maken.

"Door gebruik te maken van de natuurlijke oppervlaktelading van de deeltjes, we zijn erin geslaagd om de oppervlaktechemie te vermijden die normaal nodig is voor zo'n uitgebreide montage, waardoor we gemakkelijk grote volumes kristallen kunnen maken, " zei Theodore Hueckel, postdoctoraal onderzoeker aan de NYU en de eerste auteur van de studie.

Naast het maken van zoutachtige colloïdale materialen, de onderzoekers gebruikten zelfassemblage om colloïdale materialen te maken die edelstenen nabootsen - in het bijzonder, opalen. Opalen zijn iriserend en kleurrijk, een resultaat van hun innerlijke kristallijne microstructuur en de interactie met licht. In het labortorium, de onderzoekers creëerden hun reageerbuis-edelstenen met zeer vergelijkbare interne microstructuren als opalen.

"Als je een sterk uitvergrote opname van een opaal maakt, zie je dezelfde kleine bolvormige bouwstenen op een regelmatige manier opgesteld, ’ voegde Hueckel eraan toe.

Het gebruik van elektrostatische lading voor zelfassemblage stelt onderzoekers in staat om materialen uit de natuur na te bootsen, maar heeft ook voordelen die verder gaan dan wat van nature voorkomt. Bijvoorbeeld, ze kunnen de grootte en vorm van de positief en negatief geladen deeltjes aanpassen, wat een breed scala aan verschillende kristallijne structuren mogelijk maakt.

"We zijn geïnspireerd door de ionische kristallen van de natuur, maar we geloven dat we verder zullen gaan dan hun structurele complexiteit door gebruik te maken van alle ontwerpelementen die uniek beschikbaar zijn voor colloïdale bouwstenen, ’ zei Hueckel.