Bouwen op nanoschaal is niet hetzelfde als een huis bouwen. Wetenschappers beginnen vaak met tweedimensionale moleculaire lagen en combineren deze om complexe driedimensionale architecturen te vormen. En in plaats van spijkers en schroeven, deze structuren worden samengevoegd door de aantrekkelijke van der Waals-krachten die op nanoschaal tussen objecten bestaan.

Van der Waals-krachten zijn cruciaal bij het construeren van materialen voor energieopslag, biochemische sensoren en elektronica, hoewel ze zwak zijn in vergelijking met chemische bindingen. Ze spelen ook een cruciale rol in medicijnafgiftesystemen, bepalen welke medicijnen binden aan de actieve plaatsen in eiwitten.

In nieuw onderzoek dat zou kunnen helpen bij de ontwikkeling van nieuwe materialen, Cornell-chemici hebben ontdekt dat de lege ruimte ("poriën") die aanwezig zijn in tweedimensionale moleculaire bouwstenen de sterkte van deze Van der Waals-krachten fundamenteel verandert, en kan mogelijk de assemblage van geavanceerde nanostructuren veranderen.

De bevindingen vertegenwoordigen een onontgonnen weg naar het beheersen van de zelfassemblage van complexe nanostructuren uit poreuze tweedimensionale bouwstenen. "We hopen dat een vollediger begrip van deze krachten zal helpen bij de ontdekking en ontwikkeling van nieuwe materialen met verschillende functionaliteiten, gerichte eigenschappen, en potentieel nieuwe toepassingen, " zei Robert A. DiStasio Jr., assistent-professor scheikunde aan de Hogeschool voor de Kunsten en Wetenschappen.

In een paper getiteld "Influence of Pore Size on the Van der Waals Interaction in Two-Dimensional Molecules and Materials, " gepubliceerd op 14 januari in Fysieke beoordelingsbrieven , Distasio, Afgestudeerde student Yan Yang en postdoctoraal medewerker Ka Un Lao beschrijven een reeks wiskundige modellen die de vraag beantwoorden hoe lege ruimte fundamenteel de aantrekkelijke fysieke krachten beïnvloedt die optreden over afstanden op nanoschaal.

In drie prototypische modelsystemen, de onderzoekers ontdekten dat bepaalde poriegroottes leiden tot onverwacht gedrag in de fysieke wetten die van der Waals-krachten beheersen. Verder, zij schrijven, dit gedrag "kan worden afgestemd door de relatieve grootte en vorm van deze lege ruimtes te variëren ... [verschaffen] nieuw inzicht in de zelfassemblage en het ontwerp van complexe nanostructuren."

Hoewel sterke covalente bindingen verantwoordelijk zijn voor de vorming van tweedimensionale moleculaire lagen, van der Waals interacties zorgen voor de belangrijkste aantrekkingskracht tussen de lagen. Als zodanig, van der Waals-krachten zijn grotendeels verantwoordelijk voor de zelfassemblage van de complexe driedimensionale nanostructuren die deel uitmaken van veel van de geavanceerde materialen die tegenwoordig worden gebruikt.

De onderzoekers demonstreerden hun bevindingen met tal van tweedimensionale systemen, inclusief covalente organische raamwerken, die zijn begiftigd met verstelbare en potentieel zeer grote poriën.

"Het verbaast me dat de gecompliceerde relatie tussen lege ruimte en van der Waals-krachten kan worden gerationaliseerd door middel van zulke eenvoudige modellen, " zei Yang. "In één adem, Ik ben erg enthousiast over onze bevindingen, omdat zelfs kleine veranderingen in de van der Waals-krachten de eigenschappen van moleculen en materialen aanzienlijk kunnen beïnvloeden."