Materialen gevormd op verdwijnend kleine schaal worden gebruikt in de geneeskunde, elektronica, productie en tal van andere toepassingen. Maar wetenschappers hebben slechts het oppervlak bekrast om te begrijpen hoe bouwstenen op nanoschaal kunnen worden bestuurd, waar eenvoudige machines ter grootte van een virus opereren.

Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers onder leiding van Dongsheng Li, een materiaalwetenschapper bij PNNL, en medewerkers aan de Universiteit van Michigan en de Chinese Academie van Wetenschappen, hebben het geheim ontgrendeld van een van de meest bruikbare nanostructuren:de vijfvoudige tweeling. Hun onderzoek waarin wordt beschreven waarom en hoe deze vorm zich vormt, wordt gedetailleerd beschreven in het tijdschrift Wetenschap en werd gepresenteerd op de jaarvergadering van de Materials Research Society op 5 december, 2019.

Een dwarsdoorsnede van een vijfvoudige dubbele structuur ziet er voor de hele wereld uit als een taart die in vijf perfect symmetrische stukken is gesneden. Van nanomaterialen met deze structuur is al aangetoond dat ze nuttige eigenschappen hebben en worden ze ingezet in medisch onderzoek voor het nauwkeurig labelen van kankertumoren voor beeldvorming en tracking, en op het gebied van elektronica, waar ze worden gewaardeerd om hun mechanische sterkte.

"Natuurlijke en synthetische nanodeeltjes die zijn samengesteld uit vijfvoudig gekoppelde kristaldomeinen hebben unieke eigenschappen, " zei Li, die het onderzoeksteam leidde. "Maar het vormingsmechanisme van deze vijfvoudig verbroederde nanodeeltjes is slecht begrepen. Voor de eerste keer, we hebben de vijfvoudige tweelingvorming in realtime direct waargenomen en het mechanisme bepaald waarmee ze zich vormen."

Sinds wetenschappers leerden moleculen op nanoschaal te manipuleren, ze hebben opgemerkt dat materialen de neiging hebben om te aggregeren tot bepaalde geometrische vormen:draden, buizen, bollen, en kubussen vormen allemaal met weinig tussenkomst. Maar waarom?

Het onderzoeksteam gebruikte een combinatie van transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie in combinatie met moleculaire dynamica-simulatietechnieken om te onderzoeken waarom de structuren zich vormen zoals ze zijn. In de meeste gevallen, nanostructuren vormen te snel om ze te vangen met behulp van experimentele beeldvormingstechnieken. Hier, het team gebruikte een slimme strategie:ze dwongen de moleculen langzamer te bewegen door ze in een melasse-achtige organische matrix te plaatsen, en ze observeerden meer dan 200 vormingsgebeurtenissen om alle belangrijke stappen van het proces vast te leggen. Ze ontdekten twee verschillende mechanismen voor het vormen van vijfvoudige tweeling nanostructuren, die beide worden gevormd door de accumulatie en eliminatie van spanning in de richting van een ideale vorm die alle spanning elimineert.

"Het mechanisme dat we hebben uitgewerkt is een gemeenschappelijk pad voor kristalgroei dat op grote schaal voorkomt in diverse systemen zoals metalen, halfgeleiders, organisch, en biominerale fasen, "zei Li. "Daarom, wat we van onze observatie hebben geleerd, kan worden gegeneraliseerd naar een breed scala aan materialen."

Nu de onderzoekers de basiskrachten hebben vastgelegd die de structuur vormgeven, ze hopen meer soorten materialen in deze zeer bruikbare taartvorm te kunnen begeleiden.

"We hopen het ontwerp van nanostructuren met gecontroleerde grootte en morfologie mogelijk te maken, en om hun eigenschappen aan te passen, ' zei Li.