Materialen gemaakt van nanodeeltjes zijn veelbelovend voor talloze toepassingen, van verbeterde zonne-energieproductie tot perfecte touchscreens. De uitdaging bij het maken van deze wondermaterialen is het ordenen van de nanodeeltjes in ordelijke arrangementen.

Nanodeeltjes van magnetiet, het meest voorkomende magnetische materiaal op aarde, worden gevonden in levende organismen van bacteriën tot vogels. Nanokristallen van magnetiet assembleren zichzelf tot fijne kompasnaalden in het organisme die het helpen navigeren.

In samenwerking met nanochemici onder leiding van Rafal Klajn aan het Weizmann Institute of Science in Israël, die ontdekten dat magnetiet-nanokubussen zichzelf onder bepaalde omstandigheden kunnen assembleren tot spiraalvormige superstructuren, Theoretisch chemicus Petr Kral van de Universiteit van Illinois in Chicago en zijn studenten simuleerden het fenomeen en legden de omstandigheden uit waaronder het kan optreden. Het gezamenlijke onderzoek staat online in Wetenschap Express voorafgaand aan de druk in het nummer van 5 september van Wetenschap .

De Weizmann-onderzoekers losten de nanokristallen op en stelden de oplossing bloot aan een extern magnetisch veld. Terwijl de oplossing verdampte, spiraalvormige ketens van nanodeeltjes gevormd. Verrassend genoeg, de spiraalvormige helices waren chiraal - dat wil zeggen, ofwel links- of rechtshandig - ondanks het feit dat de nanodeeltjes zelf niet chiraal zijn. Dicht opeengepakte assemblages van helices hadden de neiging om dezelfde handigheid aan te nemen.

Het UIC-team van Kral heeft de zelfassemblage gemodelleerd om te bepalen hoe helices zich vormden in de experimenten van hun medewerkers - en waarom de helices chiraliteit hadden.

Ze ontdekten dat de zelfassemblage in chirale helices het resultaat is van de concurrerende krachten die op hen inwerken - Zeeman-kracht van het externe magnetische veld, dipool-dipool magnetische kracht, magneto-anisotrope richtingskracht, zwak aantrekkelijke van der Waals krachten, en anderen. De chemie van de liganden van nanodeeltjes, het oplosmiddel, en temperatuur kunnen ook een rol spelen.

In aanwezigheid van een extern magnetisch veld, de superparamagnetische nanokubussen - die willekeurig magnetisch zijn en kunnen omdraaien met temperatuurveranderingen - werden kleine magneten met verschillende symmetrieën van de concurrerende krachten die ertussen werkten. Als resultaat, wanneer twee kubussen tegenover elkaar staan, ze hebben de neiging om ten opzichte van elkaar te kantelen, een kleine hoek naar rechts of links vormend - het zaad van een chirale helix, naarmate er meer nanokubussen op één lijn liggen met de eerste twee.

Kral's analyse gebruikte een Monte Carlo-computeralgoritme, die berust op herhaalde willekeurige steekproeven, simulaties vele malen herhalen.

"We moesten een nieuwe, efficiënte Monte Carlo computercode die alle noodzakelijke termen beschrijft, alle waarden, en leg dan uit hoe het hoogst ongebruikelijke gedrag dat Klajn heeft waargenomen - de zelfassemblage van de helices - gebeurt, ' zei Kraal.