Synthetische microdeeltjes die ingewikkelder zijn dan sommige van de meest gecompliceerde die in de natuur worden gevonden, zijn geproduceerd door een internationaal team onder leiding van de Universiteit van Michigan. Ze onderzochten ook hoe die complexiteit ontstaat en bedachten een manier om het te meten.

De bevindingen maken de weg vrij voor stabielere vloeistof-en-deeltjesmengsels, zoals verf, en nieuwe manieren om licht te verdraaien - een voorwaarde voor holografische projectoren.

De deeltjes zijn samengesteld uit gedraaide punten die tot een bal van enkele microns zijn gerangschikt, of miljoensten van een meter, aan de overkant.

Biologie is een groot schepper van complexiteit op nano- en microschaal, met stekelige structuren zoals plantenpollen, immuuncellen en sommige virussen. Een van de meest complexe natuurlijke deeltjes op de schaal van de nieuwe synthetische deeltjes zijn stekelige coccolithoforen. Een paar micron in diameter, dit type algen staat erom bekend ingewikkelde kalkstenen schelpen om zich heen te bouwen. Om de regels die bepalen hoe deeltjes zoals deze groeien beter te begrijpen, wetenschappers en ingenieurs proberen ze in het lab te maken. Maar tot nu toe, er was geen geformaliseerde manier om de complexiteit van de resultaten te meten.

"Nummers heersen over de wereld, en doordat we stekelige vormen rigoureus kunnen beschrijven en een getal kunnen plaatsen op complexiteit, kunnen we nieuwe hulpmiddelen zoals kunstmatige intelligentie en machine learning gebruiken bij het ontwerpen van nanodeeltjes, " zei Nicholas Kotov, de Joseph B. en Florence V. Cejka Professor of Engineering aan de UM, die het project leidde.

Het team, dat bestaat uit onderzoekers van de Federale Universiteit van São Carlos en de Universiteit van São Paulo in Brazilië, evenals het California Institute of Technology en de University of Pennsylvania - gebruikten het nieuwe raamwerk om aan te tonen dat hun deeltjes zelfs ingewikkelder waren dan coccolithoforen.

De computationele arm van het team, onder leiding van André Farias de Moura, hoogleraar scheikunde aan de Federale Universiteit, onderzocht de kwantumeigenschappen van de deeltjes en de krachten die op de bouwstenen op nanoschaal werken.

Een van de belangrijkste spelers bij het produceren van complexiteit kan chiraliteit zijn - in deze context de neiging om een ​​draai met de klok mee of tegen de klok in te volgen. Ze introduceerden chiraliteit door goudsulfideplaten op nanoschaal te coaten, die dienden als hun deeltjesbouwstenen, met een aminozuur dat cysteïne wordt genoemd. Cysteïne komt in twee spiegelbeeldvormen, een die de gouden platen naar de stapel drijft met een draai met de klok mee, en de andere neigt naar een draaiing tegen de klok in. In het geval van het meest complexe deeltje, een stekelige bal met gedraaide stekels, elke gouden plaat was bedekt met dezelfde vorm van cysteïne.

Het team controleerde ook andere interacties. Door gebruik te maken van platte nanodeeltjes, ze creëerden spikes die plat waren in plaats van rond. Ze gebruikten ook elektrisch geladen moleculen om ervoor te zorgen dat de componenten op nanoschaal zichzelf in grotere deeltjes bouwden, groter dan een paar honderd nanometer, wegens afstoting.

"Deze wetten zijn vaak in strijd met elkaar, en de complexiteit ontstaat omdat deze gemeenschappen van nanodeeltjes ze allemaal moeten bevredigen, " zei Kotov, hoogleraar materiaalkunde en techniek en macromoleculaire wetenschappen en techniek.

En die complexiteit kan handig zijn. Spikes op nanoschaal op deeltjes zoals stuifmeel zorgen ervoor dat ze niet samenklonteren. evenzo, de door het onderzoeksteam gemaakte spikes op deze deeltjes helpen ze te verspreiden in vrijwel elke vloeistof, een eigenschap die nuttig is voor het stabiliseren van vaste/vloeibare mengsels zoals verven.

De microdeeltjes met gedraaide spikes nemen ook UV-licht op en zenden als reactie gedraaid - of circulair gepolariseerd - zichtbaar licht uit.

"Het begrijpen van deze emissies was een van de moeilijkste onderdelen van het onderzoek, ' zei de Moura.

Uit de resultaten van de experimenten en simulaties, het lijkt erop dat UV-energie werd geabsorbeerd in de harten van de deeltjes en getransformeerd door kwantummechanische interacties, circulair gepolariseerd zichtbaar licht worden tegen de tijd dat het door de gebogen spikes vertrok.

De onderzoekers geloven dat de tactieken die ze hebben ontdekt wetenschappers kunnen helpen om deeltjes te ontwikkelen die biosensoren verbeteren, elektronica en de efficiëntie van chemische reacties.

De studie is getiteld, "Opkomst van complexiteit in hiërarchisch georganiseerde chirale deeltjes, " en is gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .