(Phys.org)—Voor de eerste keer, onderzoekers hebben deeltjes gesimuleerd die zichzelf spontaan kunnen assembleren tot netwerken die geometrische arrangementen vormen die Archimedische tegels worden genoemd. De sleutel tot het realiseren van deze structuren is een strategie die minimaal positief ontwerp wordt genoemd, waarbij rekening wordt gehouden met zowel de geometrie als de chemische selectiviteit van de deeltjes. Het proces heeft toepassingen in moleculaire zelfassemblage, die ooit zouden kunnen worden gebruikt om een ​​verscheidenheid aan technologieën op nanoschaal te bouwen.

Stephen Whitelam, een onderzoeker bij de Molecular Foundry van het Lawrence Berkeley National Laboratory, heeft een paper gepubliceerd over de minimale positieve ontwerpstrategie voor zelf-assemblerende Archimedische tegels in een recent nummer van: Fysieke beoordelingsbrieven .

Eerder, onderzoekers hebben met succes zelf-geassembleerde deeltjes in platonische tegels, die eenvoudiger regelingen bestaande uit regelmatige periodieke reeksen van een enkele vorm zijn, zoals vierkanten, driehoeken, of zeshoeken. Om dit te doen, onderzoekers gebruiken een strategie genaamd positief ontwerp, waarin de gewenste structuur wordt bevorderd op basis van de deeltjesgeometrie. Wanneer de deeltjes worden gecombineerd en afgekoeld, ze assembleren spontaan tot platonische tegels vanwege een verscheidenheid aan onderliggende chemische, fysiek, en thermodynamische interacties.

Zelf-assemblerende deeltjes in de op een na eenvoudigste opstelling, Archimedische tegels, is veel moeilijker. Archimedische tegels zijn samengesteld uit twee of drie verschillende vormen, en slechts één type hoekpunt (dus als je inzoomt op de snijpunten, ze zouden er allemaal hetzelfde uitzien, met dezelfde hoeken in dezelfde volgorde). Er zijn acht soorten Archimedische tegels, en de nieuwe ontwerpstrategie kan ze alle acht bouwen.

Het nieuwe aspect van de nieuwe ontwerpstrategie is het "minimale" element, die verwijst naar chemische selectiviteit. Whitelam ontdekte dat als je alle interacties tussen de deeltjes identificeert die betrokken zijn bij een gewenste opstelling, en selecteer vervolgens deeltjes met alleen die interacties en geen andere, dan zullen de deeltjes onder een eenvoudig koelprotocol zichzelf assembleren tot de gewenste structuur. Het "positieve" aspect van de strategie is dat deze werkt door het bevorderen van de gewenste structuur, en vereist niet het onderdrukken van alle vele mogelijke ongewenste structuren.

De simulaties toonden ook aan dat, als er geen rekening wordt gehouden met chemische selectiviteit, dan assembleren deeltjes zichzelf niet tot de Archimedische tegels, waaruit blijkt dat de chemische selectiviteit van cruciaal belang is voor het realiseren van deze structuren.

"De resultaten laten zien dat je 'chemische specificiteit' van interacties nodig hebt om bepaalde eenvoudige, reguliere structuren, " vertelde Whitelam Phys.org . "Ik wilde een paper schrijven over de hoeveelheid 'informatie' die je in een deeltje moet 'programmeren' om het zichzelf te laten assembleren, in aanwezigheid van vele kopieën van zichzelf, tot een gewenste structuur.

"De eenvoudigste manier om een ​​vlak te betegelen is om het te bedekken met driehoeken, of met vierkanten, of met zeshoeken. Deze patronen worden de Platonische of reguliere Archimedische tegels genoemd. Andere auteurs hebben aangetoond dat deeltjes met bepaalde geometrische eigenschappen - met plakkerige plekken onder bepaalde hoeken - spontaan de netwerken kunnen vormen die equivalent zijn aan deze tegels, wat betekent dat als je lijnen trekt tussen deeltjescentra, dan ziet de foto die je krijgt eruit als een tegel.

"De volgende eenvoudigste manier om een ​​oppervlak te bedekken is met combinaties van twee of drie regelmatige veelhoeken, en deze patronen worden de semi-regelmatige Archimedische tegels genoemd (vaak gewoon Archimedische tegels). Andere onderzoekers hebben simulaties gebruikt om aan te tonen dat deeltjes met de juiste geometrie alleen waarschijnlijk niet zichzelf in dergelijke structuren kunnen assembleren. Mijn werk bevestigt dit feit, maar laat zien dat wat wel werkt, is als de deeltjesinteracties chemisch specifiek zijn, wat betekent dat de plakkerige plekken alleen op bepaalde andere plakkerige plekken blijven plakken. Op deze manier, deeltjes vermijden het maken van veel bindende fouten, en de weg naar de juiste structuur weten te vinden."

interessant, chemische selectiviteit wordt ook gebruikt om de interacties tussen de deeltjes tussen biologische deeltjes te controleren, zoals eiwitten en DNA.

"One aspect of this result is already widely known:researchers who use DNA nanotechnology routinely use DNA-mediated chemically specific interactions to make structures as complex or more complex than the Archimedean tilings, " Whitelam said. "What surprised me is 1) that you need this strategy even for the Archimedean tilings (among the most simple regular structures), and 2) that all you need is this strategy (that is, chemical specificity is both 'necessary and sufficient'). I wanted to emphasize this fact because it did not seem obvious to me that one should need chemical specificity to make the networks equivalent to the Archimedean tilings."

Whitelam expects that the minimal positive design strategy should also work for self-assembling particles into other types of arrangements besides Archimedean tilings. The ability to self-assemble particles into various patterns could provide a tool for fabricating future nanoscale devices.

"Researchers would like to be able to control the patterns of molecules on surfaces for several reasons, " Whitelam said. "One is that if you can control what sits on a surface and how it is organized then you can influence the chemical and physical properties of the surface. Another is that networks in two dimensions can be used to 'host, ' or position, other molecules:imagine putting particles (such as metal nanoparticles, potentially useful in next-generation electronics devices) in the pores of the networks. It is important to be able to control the relative positions of such particles; being able to assemble any of the Archimedean tilings, or indeed any network you desired, would be a good way of doing this."

In de toekomst, Whitelam plans to work with other scientists who come to The Molecular Foundry at Berkeley Lab, which is a US Department of Energy User Facility for nanoscience.

"My aim is to build on this work in order to collaborate with Foundry Users—scientists who come to the Foundry to do collaborative nanoscience—who make DNA-linked particles, " he said. "We would like to work out how to design such particles in order to make new nanostructures 'to order.'

© 2016 Fys.org