Onderzoekers van Berkeley Lab hebben de eerste directe waarneming gerapporteerd van nanodeeltjes die georiënteerde hechting ondergaan, de cruciale stap in biomineralisatie en de groei van nanokristallen. Een beter begrip van georiënteerde hechting in nanodeeltjes is een sleutel tot het synthetiseren van nieuwe materialen met opmerkelijke structurele eigenschappen.

Door biomineralisatie, de natuur kan zulke technische wonderen voortbrengen als parelmoer, of parelmoer, de binnenvoering van abalone schelpen bekend om zowel zijn iriserende schoonheid als verbazingwekkende taaiheid. De sleutel tot biomineralisatie is het fenomeen dat bekend staat als "georiënteerde gehechtheid, "waarbij aangrenzende nanodeeltjes met elkaar verbinden in een gemeenschappelijke kristallografische oriëntatie. Hoewel het belang van georiënteerde hechting aan biominerale eigenschappen al lang wordt erkend, het mechanisme waardoor het gebeurt is een mysterie gebleven. Met een beter begrip van georiënteerde hechting zou het mogelijk moeten zijn om nieuwe materialen met opmerkelijke structurele eigenschappen te synthetiseren. Daartoe, een team van onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) heeft de eerste directe waarneming gerapporteerd van wat zij "jump-to-contact", " de cruciale stap in georiënteerde gehechtheid.

"De directe waarneming van de translatie- en rotatieversnellingen die verband houden met de sprong-naar-contact tussen nanodeeltjes stelde ons in staat om de krachten te berekenen die georiënteerde gehechtheid aandrijven, " zei Jim DeYoreo, een wetenschapper bij de Molecular Foundry, een DOE nanoscience center in Berkeley Lab waar dit onderzoek plaatsvond. "Dit geeft ons een basis voor het testen van modellen en simulaties die de deur zouden kunnen openen voor het gebruik van georiënteerde bevestiging bij de synthese van unieke nieuwe materialen."

DeYoreo is de corresponderende auteur van een artikel in het tijdschrift Wetenschap dat dit onderzoek beschrijft met de titel "Richtingspecifieke interacties regelen kristalgroei door georiënteerde hechting." Co-auteur van dit artikel waren Dongsheng Li, Michaël Nielsen, Jonathan Lee, Cathrine Frandsen en Jillian Banfield.

Sinds een onderzoek in 2000 onder leiding van co-auteur Banfield het bestaan ​​van nanodeeltjes-georiënteerde hechting aan het licht bracht, het is algemeen erkend dat het fenomeen een belangrijk mechanisme is voor kristalgroei in veel natuurlijke en biomimetische materialen, evenals bij de synthese van nanodraden.

"Dergelijke nanokristalsystemen vertonen vaak complexe vormen, variërend van quasi-eendimensionale ketens tot driedimensionale hiërarchische superstructuren, maar meestal buigen als een enkel kristal, wat impliceert dat de primaire deeltjes uitgelijnd zijn tijdens de groei, " zegt Li, eerste auteur van de Science paper en lid van DeYoreo's onderzoeksgroep. "Als de uitlijning van deeltjes gepaard gaat met samensmelting, deze groei wordt gekenmerkt als gerichte gehechtheid, echter, de manier waarop nanodeeltjes worden uitgelijnd en gehecht is slecht begrepen."

Om meer te weten te komen over de interacties en krachten die georiënteerde gehechtheid aandrijven, de Berkeley-onderzoekers bestudeerden de vroege kristalgroei van ijzeroxide-nanodeeltjes. IJzeroxiden zijn overvloedig aanwezig in de aardkorst en spelen een belangrijke rol in de biogeochemische processen die omgevingen nabij het oppervlak vormen. Met behulp van een vloeibare siliciumcel gemonteerd in een transmissie-elektronenmicroscoop met hoge resolutie in de Molecular Foundry, het onderzoeksteam nam beelden op met voldoende resolutie om de oriëntaties van nanodeeltjes tijdens de groei van de kristallen te volgen.

"We hebben waargenomen dat de deeltjes continue rotatie en interactie ondergingen totdat ze een perfecte roosterovereenkomst vonden, waarna een plotselinge sprong-naar-contact plaatsvond over een afstand van minder dan een nanometer, "zegt DeYoreo. "Deze sprong-naar-contact wordt gevolgd door laterale atoom-voor-atoom toevoegingen gestart op het contactpunt. De gemeten translatie- en rotatieversnellingen laten zien dat sterke, zeer richtingspecifieke interacties stimuleren kristalgroei via georiënteerde hechting."

De informatie die is verkregen uit dit onderzoek naar de georiënteerde aanhechting van nanodeeltjes van ijzeroxide zou niet alleen van toepassing moeten zijn op de toekomstige synthese van biomimetische materialen, maar ook voor inspanningen om het milieu te herstellen. Wetenschappers weten nu dat mineralisatie in natuurlijke omgevingen vaak plaatsvindt door aanhechting van deeltjes en deeltjes en een belangrijke rol speelt bij de opslag van verontreinigingen. Het begrijpen van de krachten achter georiënteerde hechting zou ook de ontwikkeling van vertakte of boomachtige halfgeleidernanodraden moeten bevorderen, structuren waarin een of meer secundaire nanodraden radiaal groeien vanuit een primaire nanodraad.

"Vertakte halfgeleider nanodraden worden nagestreefd voor toepassingen in fotokatalyse, fotovoltaïsche en nano-elektronica vanwege hun grote oppervlakte, kleine diameters, en het vermogen om natuurlijke knooppunten te vormen, ", zegt DeYoreo. "Begrip van de onderliggende mechanismen die de vertakking van nanodraad controleren, zou materiaalwetenschappers moeten helpen om effectievere strategieën te ontwikkelen voor het produceren van deze materialen."