Wetenschappers maken al meer dan twee decennia nanodeeltjes in tweedimensionale platen, driedimensionale kristallen en willekeurige clusters. Maar ze zijn er nooit in geslaagd een vel nanodeeltjes te laten buigen of vouwen tot een complexe driedimensionale structuur. Nu onderzoekers van de Universiteit van Chicago, de Universiteit van Missouri en het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy hebben een eenvoudige manier gevonden om precies dat te doen.

De bevindingen openen de weg voor wetenschappers om membranen te ontwerpen met afstembare elektrische, magnetische en mechanische eigenschappen die kunnen worden gebruikt in elektronica en die zelfs implicaties kunnen hebben voor het begrijpen van biologische systemen.

Werken bij het Center for Nanoscale Materials (CNM) en de Advanced Photon Source (APS), twee DOE Office of Science gebruikersfaciliteiten in Argonne, het team kreeg membranen van gouden nanodeeltjes bedekt met organische moleculen om in buizen te krullen wanneer ze met een elektronenstraal worden geraakt. Even belangrijk, ze hebben ontdekt hoe en waarom het gebeurt.

De wetenschappers omhullen gouden nanodeeltjes van elk een paar duizend atomen met een olieachtig organisch molecuul dat de gouddeeltjes bij elkaar houdt. Wanneer ze op water drijven, vormen de deeltjes een vel; als het water verdampt, het laat het laken hangen over een gat. "Het is bijna als een drumvel, " zegt Xiao-Min Lin, de stafwetenschapper van het Center for Nanoscale Materials die het project leidde. "Maar het is een heel dun membraan gemaakt van een enkele laag nanodeeltjes."

Tot hun verbazing, toen de wetenschappers het membraan in de straal van een scanning elektronenmicroscoop stopten, het vouwde. Het vouwde elke keer, en altijd in dezelfde richting.

"Dat heeft onze nieuwsgierigheid gewekt, "zei Lin. "Waarom buigt het in één richting?"

Het antwoord lag in de organische oppervlaktemoleculen. Ze zijn hydrofoob:als ze op water drijven, proberen ze contact ermee te vermijden, dus verdelen ze zichzelf uiteindelijk op een niet-uniforme manier over de bovenste en onderste lagen van het nanodeeltjesvel. Wanneer de elektronenstraal de moleculen op het oppervlak raakt, zorgt dit ervoor dat ze een extra binding vormen met hun buren, waardoor een asymmetrische spanning ontstaat waardoor de membranen vouwen.

Zhang Jiang en Jin Wang, Röntgenmedewerkers van het APS, bedacht een ingenieuze manier om de moleculaire asymmetrie te meten, die bij slechts zes angstrom, of ongeveer zes atomen dik, is zo klein dat het normaal gesproken niet meetbaar zou zijn.

Subramanian Sankaranarayanan en Sanket Deshmukh bij CNM gebruikten de krachtige computerbronnen bij DOE's National Energy Research Scientific Computing Center en de Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), zowel DOE Office of Science Gebruikersfaciliteiten, om het oppervlak van de nanodeeltjes te analyseren. Ze ontdekten dat de hoeveelheid oppervlak die wordt bedekt door de organische moleculen en de mobiliteit van de moleculen op het oppervlak beide een belangrijke invloed hebben op de mate van asymmetrie in het membraan.

"Dit zijn fascinerende resultaten, " zei Fernando Bresme, hoogleraar chemische fysica aan het Imperial College in Londen en een vooraanstaand theoreticus op het gebied van fysica van zachte materie. "Ze verbeteren ons vermogen om nieuwe nanostructuren met gecontroleerde vormen te maken aanzienlijk."

In principe, wetenschappers zouden deze methode kunnen gebruiken om vouwing te induceren in elk membraan van nanodeeltjes dat een asymmetrische verdeling van oppervlaktemoleculen heeft. zei Lin, "Je gebruikt één type molecuul dat een hekel heeft aan water en vertrouwt op de wateroppervlakken om de moleculen aan te drijven om niet-uniform te verdelen, of je kunt twee verschillende soorten moleculen gebruiken. De sleutel is dat de moleculen zich niet-uniform moeten verdelen."

De volgende stap voor Lin en zijn collega's is om te onderzoeken hoe ze de moleculaire verdeling op het oppervlak en daarmee het vouwgedrag kunnen controleren. Ze stellen zich voor om slechts een klein deel van de structuur te zappen met de elektronenstraal, het ontwerpen van de spanningen om bepaalde buigpatronen te bereiken.

"Je kunt deze dingen misschien vouwen tot origami-structuren en allerlei interessante geometrieën, "Zei Lin. "Het opent de mogelijkheden."