Atomen hebben een positief geladen centrum omgeven door een wolk van negatief geladen deeltjes. Dit type regeling, het blijkt, kan ook op een meer macroscopisch niveau voorkomen, het geven van nieuwe inzichten in de aard van hoe materialen zich vormen en op elkaar inwerken.

In een nieuwe studie van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), wetenschappers hebben de interne structuur onderzocht van een materiaal dat een colloïdaal kristal wordt genoemd, die bestaat uit een sterk geordende reeks grotere en kleinere deeltjes die in regelmatige opstellingen worden afgewisseld. Een grotere kennis van hoe colloïdale kristallen zijn gestructureerd en zich gedragen, zou wetenschappers kunnen helpen bij het bepalen van de toepassingen waarvoor ze het meest geschikt zijn, zoals fotonica.

In baanbrekend onderzoek geschetst in een recent nummer van Wetenschap , wetenschappers bonden kleinere deeltjes vast aan grotere met behulp van DNA, waardoor ze konden bepalen hoe de kleinere deeltjes de gebieden rond de grotere vulden. Bij het gebruik van deeltjes zo klein als 1,4 nanometer - extreem klein voor colloïdale deeltjes - merkten wetenschappers een opwindend effect op:de kleine deeltjes zwierven rond en bestelden regelmatig grotere deeltjes in plaats van op een geordende manier opgesloten te blijven.

Door dit gedrag de colloïdale kristallen zouden kunnen worden ontworpen om te leiden tot een verscheidenheid aan nieuwe technologieën op het gebied van optica, katalyse, en medicijnafgifte. De kleine deeltjes hebben het potentieel om als boodschappers te fungeren, andere moleculen dragen, elektrische stroom of informatie van het ene uiteinde van een kristal naar het andere.

"De kleinere deeltjes werken in wezen als een lijm die de grotere deeltjesrangschikking bij elkaar houdt, " zei Argonne X-ray natuurkundige en studie auteur Byeongdu Lee. "Met slechts een paar kralen lijm, de beste positie om ze te plaatsen is op de hoeken tussen de grotere deeltjes. Als u meer lijmkralen toevoegt, ze zouden overlopen naar de randen."

De kleine deeltjes die op de hoeken zitten, hebben de neiging stil te blijven - een configuratie die Lee lokalisatie noemde. De extra deeltjes die aan de randen zitten hebben meer bewegingsvrijheid, gedelokaliseerd raken. Door gebonden te zijn aan grotere deeltjes en met het vermogen om zowel gelokaliseerd als gedelokaliseerd te worden, de kleine deeltjes fungeren als "elektronenequivalenten" in de kristalstructuur. De delokalisatie van kleine deeltjes, die de auteurs metalliciteit noemden, was tot dusverre niet waargenomen in samenstellingen van colloïdale deeltjes.

Aanvullend, omdat de kleine deeltjes gedeeltelijk delokaliseren, het effect creëert een materiaal dat de meeste traditionele definities van een kristal uitdaagt, volgens Leen.

"Normaal gesproken, als je de samenstelling van een kristal verandert, de structuur verandert ook, "zei hij. "Hier, je kunt een materiaal hebben dat zijn algehele structuur kan behouden met verschillende verhoudingen van zijn componenten."

Om de structuur van de colloïdale kristallen in beeld te brengen, Lee en zijn collega's gebruikten de zeer heldere röntgenstralen van Argonne's Advanced Photon Source (APS), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit. De APS bood een belangrijk voordeel omdat het de wetenschappers in staat stelde de structuur van het kristal direct in oplossing te observeren. "Dit systeem is alleen stabiel in oplossing, als het eenmaal droog is, de structuur vervormt, "zei Leen.