Toen nanowetenschappers van de Universiteit van Pennsylvania prachtige, tegelpatronen met platte nanokristallen, ze bleven achter met een mysterie:waarom rangschikten sommige sets kristallen zich afwisselend, visgraat stijl, ook al was het niet het eenvoudigste patroon? 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, het geeft een middel om de regels te ontdekken voor het "programmeren" ervan in de gewenste configuraties.

De studie werd geleid door Christopher Murray, een hoogleraar met aanstellingen bij de afdeling Scheikunde van de School of Arts and Sciences en de afdeling Materials Science and Engineering in de School of Engineering and Applied Sciences. Ook op het Penn-team waren Cherie Kagan, een chemie, MSE en professor in elektrische en systeemtechniek, en postdoctoraal onderzoekers Xingchen Ye, Jun Chen en Guozhong Xing.

Ze werkten samen met Sharon Glotzer, een professor in de chemische technologie in Michigan, en Ju Li, een professor in nucleaire wetenschap en techniek aan het MIT.

Hun onderzoek stond op de omslag van het tijdschrift Natuurchemie .

"De opwinding hierin zit niet in het visgraatpatroon, "Murray zei, "Het gaat over de koppeling van experiment en modellering en hoe die aanpak ons ​​in staat stelt een heel moeilijk probleem aan te pakken."

Eerder werk in Murray's groep was gericht op 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 het ontwikkelen van "programmeermateriaal, " dat is, een methode voor het ontwerpen van nieuwe materialen op basis van de eigenschappen die nodig zijn voor een bepaalde taak.

"Door interacties op nanoschaal te ontwikkelen, ’ zei Glotzer, "we kunnen beginnen met het samenstellen van doelstructuren van grote complexiteit en functionaliteit op macroschaal."

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 zuiverde de nanokristallen en mengde ze met een oplosmiddel. Ze verspreiden dit mengsel in een dunne laag over een dikke vloeistof, die de kristallen ondersteunde terwijl ze konden bewegen. 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 stonden in een afwisselende visgraatstijl opgesteld.

"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 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, dachten de teamleden. Omdat experimenten nog geen manier bieden om het aantal koolwaterstofketens aan de zijkanten van zulke kleine deeltjes te meten, Murray vroeg Ju Li van MIT 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."