Wetenschappers hebben nieuwe soorten deeltjes gemaakt, 1/100ste van de diameter van een mensenhaar, die zich spontaan assembleren tot structuren die lijken op moleculen gemaakt van atomen. Deze nieuwe deeltjes komen samen, of "zelf samenstellen, "om structuren te vormen in patronen die voorheen onmogelijk te maken waren en die belofte inhouden voor de productie van geavanceerde optische materialen en keramiek.

De methode, beschreven in het laatste nummer van het tijdschrift Natuur , is ontwikkeld door een team van chemici, chemische ingenieurs, en natuurkundigen aan de New York University (NYU), de Harvard School of Engineering &Applied Sciences, het Harvard Department of Physics, en Dow Chemical Company.

De methode is gericht op het verbeteren van de architectuur van colloïden - kleine deeltjes die in een vloeibaar medium zijn gesuspendeerd. Colloïdale dispersies zijn samengesteld uit alledaagse voorwerpen als verf, melk, gelatine, glas, en porselein, maar hun potentieel om nieuwe materialen te creëren blijft grotendeels onbenut.

Eerder, wetenschappers waren erin geslaagd om rudimentaire structuren te bouwen van colloïden. Maar het vermogen om colloïden te gebruiken om complexe driedimensionale structuren te ontwerpen en te assembleren, die essentieel zijn voor het ontwerp van geavanceerde optische materialen, beperkt is geweest. Dit is, gedeeltelijk, omdat colloïden geen directionele bindingen hebben, die nodig zijn om de zelfassemblage van deeltjes te beheersen en om de complexiteit te vergroten terwijl de structurele integriteit van deze creaties behouden blijft. Dergelijke vergaderingen dienen als de bouwstenen van de natuurlijke wereld, bijv. atomen en moleculen, maar ze zijn zeldzaam in het colloïdale domein.

"Het doel van deze methode was om de eigenschappen van de natuur voor atomen te gebruiken en toe te passen op de colloïdale wereld, " verklaarde NYU-professor scheikunde Marcus Weck, een van de coauteurs van de studie.

"Chemici hebben een heel periodiek systeem van atomen om uit te kiezen wanneer ze moleculen en kristallen synthetiseren, " voegde co-auteur Vinothan Manoharan toe, Universitair hoofddocent chemische technologie en natuurkunde aan Harvard. "We wilden een vergelijkbare 'constructieset' ontwikkelen voor het maken van grotere moleculen en kristallen."

Bij het ontwikkelen van colloïden met dergelijke eigenschappen, de onderzoekers ontwikkelden chemische "pleisters" die richtingsbindingen kunnen vormen, waardoor de montage van 3-dimensionale "roosters" met slechts een paar verbindingen tussen deeltjes mogelijk is, een belangrijk ontwerpelement voor veel geavanceerde materialen. Zonder directionele binding, dergelijke structuren zijn onstabiel.

De truc was om verbindingsmogelijkheden op de patches tot stand te brengen. De wetenschappers deden dit door enkele strengen DNA te gebruiken, die wetenschappers van NYU en elders eerder hebben gebruikt om kleine deeltjes te organiseren. In de methode beschreven in Nature, deze strengen DNA dienden als "kleverige uiteinden" waaraan deeltjespatches konden hechten.

"Wat dit betekent is dat we deeltjes kunnen maken die zich alleen hechten aan de plekken, en dan kunnen we ze zo programmeren dat alleen specifieke soorten deeltjes zich hechten aan die plekken, "Zei co-auteur en natuurkundeprofessor aan de NYU David Pine. "Dit geeft ons een enorme flexibiliteit om driedimensionale structuren te ontwerpen."

De onderzoekers voegden eraan toe dat de specificiteit van DNA-interacties tussen patches betekent dat colloïden met verschillende eigenschappen, zoals maat, kleur, chemische functionaliteit, of elektrische geleidbaarheid, kan leiden tot de productie van nieuwe materialen. Deze omvatten mogelijk driedimensionale elektrisch bedrade netwerken of fotonische kristallen om de optische displays van een reeks consumentenproducten te verbeteren en om de snelheid van computerchips te verbeteren.