Tetraëdervormige nanodeeltjes zijn op zichzelf al interessant genoeg, maar onder de juiste omstandigheden hebben wetenschappers van Rice University ontdekt dat ze iets opmerkelijks doen.

Tijdens een routinecontrole van een partij kleine gouden tetraëders, ontdekten Rice-chemicus Matthew Jones en afgestudeerde student Zhihua Cheng dat hun microscopisch kleine deeltjes het onverwachte vermogen hadden om zichzelf in 2D-chirale superstructuren te rangschikken.

De ontdekking, die gedetailleerd wordt beschreven in een nieuwe studie in Nature Communications , is waarschijnlijk de eerste bekende spontane zelfassemblage van een vlakke chirale structuur, zei Jones.

Chirale structuren zijn spiegelbeelden, gelijkaardige vormen, zoals linker- en rechterhand, die niet op elkaar kunnen worden gelegd. Het is een belangrijk onderscheid in het ontwerp van geneesmiddelen, waar chirale moleculen therapeutisch kunnen zijn in de ene hand en toxisch in de andere.

Tetraëders zelf zijn niet chiraal, dat wil zeggen, ze kunnen op hun spiegelbeelden worden gelegd. Dat maakte het dubbel verrassend dat ze zo gemakkelijk in chirale vormen vielen tijdens experimenten wanneer ze op een oppervlak verdampten, zei Jones.

"Dit is onverwacht", zei hij. "Het is zeer zeldzaam om een ​​chirale structuur te zien als je bouwstenen niet chiraal zijn."

Jones zei dat de 2D-superroosters die de tetraëders creëren, kunnen leiden tot vooruitgang in metamaterialen die licht en geluid op nuttige manieren manipuleren. "Er is een hele reeks artikelen die voorspellen dat enkele van de meest interessante eigenschappen van optische metamaterialen ontstaan ​​in structuren met chiraliteit op deze lengteschaal," zei hij.

De chirale oppervlakken die bij Rice zijn gemaakt, zijn ultradunne assemblages van deeltjes die in gelijke aantallen linkshandige en rechtshandige domeinen bevatten. Dat is belangrijk in de manier waarop ze circulair gepolariseerd licht verwerken, een handig hulpmiddel bij spectroscopie en plasmonica.

Jones zei dat een manier om nauwkeurige 2D-structuren te bouwen, is om te beginnen met een groot stuk materiaal en van boven naar beneden te werken, zoals een beeldhouwer, waarbij ongewenste stukjes worden verwijderd om tot de gewenste vorm te komen. Zelfassemblage is een bottom-up benadering waarbij een grote structuur, zoals een boom, groeit uit het samenvoegen van talloze kleine stukjes. Bottom-up montage is meestal de snellere en efficiëntere van de twee benaderingen.

"Meestal gebruiken mensen bolvormige deeltjes bij zelfassemblage, maar je kunt gewoon niet zoveel complexiteit krijgen in termen van de structuur," zei Jones. "Mijn groep neemt niet-sferische deeltjes en probeert ze zichzelf te laten assembleren tot meer geavanceerde structuren."

Nadat ze een manier hadden ontdekt om goedgevormde gouden nano-tetraëders te maken, stopten Jones en Cheng ze in een oplossing en plaatsten ze een druppel op een substraat. "We laten de druppel gewoon verdampen, en wat we eruit krijgen zijn deze verbazingwekkende superroosters," zei hij.

"Er zijn twee dingen die ze geweldig maken," zei hij. "Een daarvan is dat ze uitsluitend tweedimensionaal zijn, en de tweede, wat interessanter is, is dat ze chiraal zijn."

Jones en Cheng dachten aanvankelijk dat de deeltjes in drie dimensies zouden kunnen groeien, "maar we begrijpen nu hoe ze zo'n gecompliceerde 2D-structuur vormen die twee deeltjes dik is", zei Jones.

Cheng zei:"Aanvankelijk hadden we helemaal niet verwacht dat ze zouden assembleren. Ik wilde alleen maar zien dat de deeltjes puur en uniform van grootte waren. Toen ik de verschillende chirale arrangementen zag, was het een totale verrassing voor mij dat ze in zulke een coole structuur!"

Jones zei dat de deeltjes profiteren van verschillende verschijnselen terwijl ze zich verzamelen, waaronder van der Waals-krachten, elektrostatische afstoting tussen de moleculen op de tetraëderoppervlakken en het substraat waarop de druppel wordt geplaatst. "Na verloop van tijd, als de druppel verdampt, gaan de deeltjes van overwegend weerzinwekkend naar sterk aantrekkelijk, en zo kristalliseren ze uit tot superroosters," zei hij.

De zeshoekige domeinen van het materiaal worden gevormd wanneer de tetraëders samenkomen met hun uiteinden naar boven of naar beneden. Terwijl de deeltjes samenkomen, ontmoeten hun punten elkaar uiteindelijk, waardoor ze een beetje langs elkaar moeten schuiven om steeds dichter bij elkaar te komen. Dit dwingt alle deeltjes in de samenstellende zeshoek willekeurig op de een of andere manier te roteren, waardoor links- en rechtshandige chirale domeinen worden gevormd.

Jones merkte op dat er een wiskundige basis is voor het fenomeen waar iemand uiteindelijk achter kan komen.

"Het was pas onlangs dat de dichtste pakking van bollen wiskundig werd bewezen, dus het kan enige tijd duren voordat we iets soortgelijks kunnen verwachten voor tetraëders," zei hij. "Het is heel, heel ingewikkeld."

Jones zei dat hij de mogelijkheid ziet om op een dag "een materiaal als dit aan het oppervlak van een zwembad te monteren", zodat geavanceerde coatings van metamateriaal op vrijwel elk object kunnen worden aangebracht door het simpelweg door het vloeistofoppervlak te dompelen. + Verder verkennen

Metamateriaal verbetert significant chirale nanodeeltjessignalen