Nanocubes zijn allesbehalve kinderspel. Wetenschappers van het Weizmann Instituut hebben ze gebruikt om verrassend garenachtige strengen te maken:ze toonden aan dat onder de juiste omstandigheden, kubusvormige nanodeeltjes kunnen uitlijnen in kronkelende spiraalvormige structuren. hun resultaten, die onthullen hoe nanomaterialen zichzelf kunnen assembleren tot onverwacht mooie en complexe structuren, zijn onlangs gepubliceerd in Wetenschap .

Dr. Rafal Klajn en postdoctoraal onderzoeker Dr. Gurvinder Singh van de afdeling Organische Chemie van het Instituut gebruikten nanokubussen van een ijzeroxide materiaal genaamd magnetiet. Zoals de naam impliceert, dit materiaal is van nature magnetisch:het wordt overal gevonden, inclusief in bacteriën die het gebruiken om het magnetisch veld van de aarde te voelen.

Magnetisme is slechts een van de krachten die op de nanodeeltjes inwerken. Samen met de onderzoeksgroep van Prof. Petr Král van de Universiteit van Illinois, Chicago, Klajn en Singh ontwikkelden theoretische modellen om te begrijpen hoe de verschillende krachten de kleine stukjes magnetiet in verschillende formaties konden duwen en trekken. "Verschillende soorten krachten dwingen de nanodeeltjes om op verschillende manieren uit te lijnen, " zegt Klajn. "Deze kunnen met elkaar concurreren; dus het idee is om de balans te vinden tussen concurrerende krachten die de zelfassemblage van de deeltjes tot nieuwe materialen kunnen induceren." De modellen suggereerden dat de vorm van de nanodeeltjes belangrijk is - alleen kubussen zouden een juiste balans van krachten bieden die nodig zijn om te trekken samen tot spiraalvormige formaties.

De onderzoekers ontdekten dat de twee belangrijkste concurrerende krachten magnetisme en de van der Waals-kracht zijn. Magnetisme zorgt ervoor dat de magnetische deeltjes elkaar zowel aantrekken als afstoten, waardoor de kubieke deeltjes zich op hun hoeken uitlijnen. Van der Waals-troepen, anderzijds, trek de zijkanten van de kubussen dichter bij elkaar, hen overhalen om op een rij te gaan staan. Wanneer deze krachten samenwerken op de kleine kubussen, het resultaat is de stapsgewijze uitlijning die spiraalvormige structuren produceert.

In hun experimenten, de wetenschappers stelden relatief hoge concentraties magnetiet-nanokubussen die in een oplossing waren geplaatst, bloot aan een magnetisch veld. De lange, touwachtige spiraalvormige kettingen die ze verkregen nadat de oplossing was verdampt, waren verrassend uniform. Ze herhaalden het experiment met nanodeeltjes van andere vormen, maar, als voorspeld, alleen kubussen hadden precies de juiste fysieke vorm om in een helix uit te lijnen. Klajn en Singh ontdekten ook dat ze chirale strengen konden krijgen - allemaal in dezelfde richting gewonden - met zeer hoge deeltjesconcentraties waarin een aantal strengen dicht bij elkaar kwamen. Blijkbaar kunnen de concurrerende krachten "rekening houden met" de meest efficiënte manier om de strengen in de ruimte te verpakken.

Hoewel de nanokubusstrengen er mooi genoeg uitzien om te breien, Klajn zegt dat het te vroeg is om na te denken over commerciële toepassingen. De directe waarde van het werk, hij zegt, is dat het een fundamenteel principe van zelfassemblage op nanoschaal heeft bewezen. "Hoewel magnetiet al tientallen jaren goed is bestudeerd - ook de vorm van nanodeeltjes, niemand heeft deze structuren eerder waargenomen, ", zegt Klajn. "Pas als we begrijpen hoe de verschillende fysieke krachten op nanodeeltjes inwerken, kunnen we de inzichten gaan toepassen op doelen als de fabricage van voorheen onbekende, zelf samengestelde materialen."