Toonaangevende nanowetenschappers creëerden prachtige, tegelpatronen met platte nanokristallen, maar ze bleven achter met een mysterie:waarom rangschikten sommige reeksen kristallen zich afwisselend, visgraat stijl? Er achter komen, ze wendden zich tot experts in computersimulatie aan de Universiteit van Michigan en het Massachusetts Institute of Technology.

Het resultaat geeft nanotechnologie-onderzoekers een nieuw hulpmiddel om te bepalen hoe objecten een miljoenste van de grootte van een zandkorrel zichzelf rangschikken in bruikbare materialen - en een middel om de rest van de gereedschapskist te ontdekken. Een paper over het onderzoek is online gepubliceerd op 12 mei in Natuurchemie .

"De opwinding hierin zit niet in het visgraatpatroon, het gaat om de koppeling van experiment en modellering, en hoe die benadering ons in staat stelt een heel moeilijk probleem aan te pakken, " zei Christopher Murray, de Richard Perry University Professor en professor in de chemie aan de Universiteit van Pennsylvania.

Murray's groep staat bekend om het maken van nanokristallen en het rangschikken ervan in grotere kristalsuperstructuren.

uiteindelijk, onderzoekers willen patches op nanodeeltjes op verschillende manieren aanpassen om ze over te halen tot complexere patronen. Het doel is een methode waarmee mensen zich kunnen voorstellen wat ze zouden willen doen en vervolgens een materiaal ontwerpen met de juiste eigenschappen voor het werk.

"Door interacties op nanoschaal te ontwikkelen, we kunnen beginnen met het samenstellen van doelstructuren van grote complexiteit en functionaliteit op macroschaal, " zei Sharon Glotzer van U-M, de Stuart W. Churchill Collegiate Professor of Chemical Engineering.

Glotzer introduceerde het concept van "patchiness" van nanodeeltjes in 2004. Haar groep gebruikt computersimulaties om de patches te begrijpen en te ontwerpen.

Onlangs, Murray's team maakte patronen met platte nanokristallen gemaakt van zware metalen, bij chemici bekend als lanthaniden, en fluoratomen. Lanthaniden hebben waardevolle eigenschappen voor zonne-energie en medische beeldvorming, zoals het vermogen om te converteren tussen hoog- en laagenergetisch licht.

Ze begonnen met het afbreken van chemicaliën die atomen van een lanthanidemetaal en fluor bevatten in een oplossing, en het lanthanide en fluor begonnen van nature kristallen te vormen. Ook in de mix waren ketens van koolstof en waterstof die aan de zijkanten van de kristallen plakten, hun groei stoppen bij groottes van ongeveer 100 nanometer, of 100 miljoenste van een millimeter, op de grootste afmetingen. Door lanthaniden met verschillende atoomstralen te gebruiken, ze konden de boven- en onderkant van de zeshoekige kristallen controleren om overal te zijn van veel langer dan de andere vier zijden tot niet-bestaand, resulterend in een diamantvorm.

Om tegelpatronen te vormen, het team verspreidde een dunne laag nanokristallen en oplosmiddel op een dikke vloeistof. Toen het oplosmiddel verdampte, de kristallen hadden minder ruimte beschikbaar, en ze begonnen samen te pakken.

De diamantvormen en de zeer lange zeshoeken stonden zoals verwacht op een rij, de diamanten vormen een raster in Argyle-stijl en de zeshoeken passen bij hun langste randen als een verkorte honingraat. De zeshoeken waarvan de zijden allemaal bijna even lang waren, hadden een soortgelijk platgedrukt honingraatpatroon moeten vormen, maar in plaats daarvan, ze stelden zich op in ingewikkelder, afwisselende visgraatstijl.

"Telkens wanneer we iets zien dat niet het eenvoudigst mogelijke patroon volgt, we moeten vragen waarom, ' zei Murray.

Ze stelden de vraag aan Glotzer's team.

"Ze zijn wereldleiders geweest in het begrijpen hoe deze vormen kunnen werken op nanometerschalen, en er zijn niet veel groepen die de kristallen kunnen maken die we maken, "Zei Murray. "Het leek natuurlijk om deze sterke punten samen te brengen."

Glotzer en haar groep bouwden een computermodel dat de zelfassemblage kon nabootsen van dezelfde reeks vormen die Murray had geproduceerd. De simulaties toonden aan dat als de gelijkzijdige zeshoeken alleen door hun vorm met elkaar in wisselwerking stonden, de meeste kristallen vormden het verkorte honingraatpatroon - niet de visgraat.

"Toen zeiden we:'Oke, er moet iets anders aan de hand zijn. Het is niet alleen een verpakkingsprobleem, ' zei Glotzer.

Haar team, waaronder UM-afgestudeerde student Andres Millan en onderzoekswetenschapper Michael Engel, begon toen te spelen met interacties tussen de randen van de deeltjes. Ze ontdekten dat als de randen die de punten vormden plakkeriger waren dan de andere twee zijden, de zeshoeken zouden natuurlijk in het visgraatpatroon schikken.

De teams vermoedden dat de bron van de plakkerigheid die koolstof- en waterstofketens waren - misschien hechtten ze zich gemakkelijker aan de puntranden. Omdat experimenten nog geen manier bieden om het aantal koolwaterstofketens aan de zijkanten van zulke kleine deeltjes te meten, Murray vroeg Ju Li, nu de Battelle Energy Alliance Professor of Nuclear Science and Engineering aan het Massachusetts Institute of Technology, om te berekenen hoe de kettingen zich op kwantummechanisch niveau aan de randen zouden hechten.

Li's groep bevestigde dat vanwege de manier waarop de verschillende facetten door het rooster van de metaal- en fluoratomen snijden, meer koolwaterstofketens konden aan de vier randen blijven kleven die naar punten leidden dan aan de resterende twee zijden. Als resultaat, de deeltjes worden fragmentarisch.

"Onze studie toont een weg voorwaarts door zeer subtiele veranderingen in de bouwsteenarchitectuur aan te brengen en een zeer diepgaande verandering te krijgen in het grotere zelf-geassembleerde patroon, Glotzer zei. "Het doel is om knoppen te hebben die je een klein beetje kunt veranderen en een grote verandering in structuur te krijgen, en dit is een van de eerste papers die een manier laat zien om dat te doen."

Het artikel is getiteld "Competition of shape and interaction patchiness for self-assemble nanoplates."

Murray is ook een professor in materiaalkunde en techniek. Glotzer is ook een professor in materiaalkunde en techniek, macromoleculaire wetenschap en techniek, natuurkunde en toegepaste natuurkunde. Li is ook een professor in materiaalkunde en techniek.