Stel je voor dat een toren zichzelf alleen in de gewenste structuur bouwt door de juiste stenen te kiezen. Absurd – en toch in de nanowereld is dit de realiteit:daar kan een ongeordende menigte componenten de vorming van een geordende structuur initiëren - een proces dat bekend staat als zelfassemblage. De natuurkundigen Christos Likos (Universiteit van Wenen), Emanuela Bianchi en Gerhard Kahl (beiden Technische Universiteit Wenen) onderzoeken hoe ze de volgorde van dergelijke zelf-assemblerende constructies kunnen controleren en ontdekten hoe ze het assemblageproces in- en uitschakelen. De resultaten zijn nu gepubliceerd in het high-impact tijdschrift Nano-letters .

Materialen met specifieke eigenschappen op nano- en microschaal zijn zeer gewild vanwege het brede spectrum aan toepassingen in de elektronica, fotovoltaïsche en biomimetische materiaalsynthese. Voor veel van deze toepassingen mesoscopische kristallijne structuren zijn vaak nodig en daarom staan ​​wetenschappers voor de uitdaging om betrouwbare, efficiënte en goedkope methoden om doelstructuren te produceren met specifieke symmetrieën en fysieke eigenschappen. Vandaag de dag, in plaats van te vertrouwen op extern gecontroleerde tools, de meeste fabricagemethoden zijn gebaseerd op de zelfassemblage van zorgvuldig gekozen/gesynthetiseerde basiseenheden. De macroscopische tegenhanger zou overeenkomen met het bouwen van een toren of een brug door gewoon de juiste stenen te kiezen en ze zichzelf te laten organiseren in de gewenste structuur.

Op het uitgestrekte gebied van functionele materialen op nano- en microschaal, de realisatie van mono- en bi-layer assemblages op oppervlakken is van het grootste belang. Laagdimensionale systemen met goed gedefinieerde kenmerken hebben inderdaad toepassingen zoals b.v. antireflectiecoatings, biosensoren, gegevens opslag, optische en fotovoltaïsche apparaten, of katalysatoren. De eigenschappen van deze materialen zijn sterk afhankelijk van een delicate balans tussen de eigenschappen van de montage-eenheden en die van het onderliggende oppervlak.

In onze bijdrage hebben we ons gericht op nano-eenheden met een gecompliceerd oppervlaktepatroon, bestaande uit gebieden met een verschillende oppervlaktelading. De onderzochte eenheden zijn meestal negatief geladen met uitzondering van de positief geladen poolgebieden aan de boven- en onderkant van de deeltjes. Soortgelijke niet-homogeen geladen eenheden komen voor in biosystemen, bijv. virale capsiden en eiwitten, of in experimenteel gesynthetiseerde systemen, bijv. virusachtige nanodeeltjes, gevlekte blaasjes en nanoblokjes bedekt met specifieke metalen.

In het komende artikel hebben we ons gericht op de zelfassemblage van de beschreven heterogeen geladen deeltjes in de buurt van een homogeen geladen substraat. Onze computersimulaties lieten zien hoe complexe structuren op nanoschaalniveau spontaan kunnen ontstaan ​​en hoe het mogelijk is om op betrouwbare wijze de ordening van de deeltjes in specifieke, quasi tweedimensionale aggregaten. Afhankelijk van verschillende parameters, zoals de deeltje/wandlading en de uitbreiding van de geladen gebieden op het deeltjesoppervlak, onze eenheden kunnen oppervlaktelagen vormen met verschillende dichtheden (en mogelijk verschillende reacties op externe prikkels):soms komen deeltjes samen tot dicht opeengepakte, hexagonaal geordende kristallijne aggregaten, soms vormen ze open, vierkantachtige lagen, soms komen ze helemaal niet samen. Ons werk was in staat om de verscheidenheid aan zelf-geassembleerde structuren te onderzoeken die door de gekozen stenen worden aangeboden en om het specifieke collectieve gedrag te karakteriseren dat optreedt bij het afstemmen van de relevante parameters van deze systemen. Bovendien, en vooral, we hebben aangetoond dat bij subtiele veranderingen van de pH van de oplossing of van de elektrische lading van het substraat, het is mogelijk om het assemblageproces omkeerbaar in en uit te schakelen en om een ​​transformatie van de ene specifieke ruimtelijke/oriëntatie-opstelling naar de andere teweeg te brengen.