De natuur heeft een paar geheimen. Hoewel er in de natuur veel structuren met lage symmetrie worden gevonden, hebben wetenschappers zich beperkt tot ontwerpen met hoge symmetrie bij het synthetiseren van colloïdale kristallen, een waardevol type nanomateriaal dat wordt gebruikt voor chemische en biologische detectie en opto-elektronische apparaten.

Nu heeft onderzoek van de Northwestern University en de University of Michigan het doek teruggetrokken en voor het eerst aangetoond hoe colloïdale kristallen met een lage symmetrie kunnen worden gemaakt, inclusief één fase waarvoor geen natuurlijk equivalent bekend is.

"We hebben iets fundamenteels ontdekt over het systeem voor het maken van nieuwe materialen", zegt Chad A. Mirkin van Northwestern. "Deze strategie voor het doorbreken van symmetrie herschrijft de regels voor materiaalontwerp en synthese."

Het onderzoek is vandaag (13 januari) gepubliceerd in het tijdschrift Nature Materials.

Mirkin is de George B. Rathmann hoogleraar scheikunde aan het Weinberg College of Arts and Sciences; een professor in chemische en biologische technologie, biomedische technologie en materiaalwetenschappen en techniek aan de McCormick School of Engineering; en een professor in de geneeskunde aan de Feinberg School of Medicine. Hij is ook de oprichter en directeur van het International Institute for Nanotechnology.

Het onderzoek werd geleid door Mirkin en Sharon C. Glotzer, de Anthony C. Lembke Department Chair of Chemical Engineering aan de Universiteit van Michigan.

Nanodeeltjes kunnen worden geprogrammeerd en geassembleerd tot geordende arrays die bekend staan ​​als colloïdale kristallen, die kunnen worden ontworpen voor toepassingen van lichtsensoren en lasers tot communicatie en computergebruik.

"Het gebruik van grote en kleine nanodeeltjes, waarbij de kleinere zich verplaatsen als elektronen in een kristal van metaalatomen, is een geheel nieuwe benadering voor het bouwen van complexe colloïdale kristalstructuren", zegt Glotzer.

In dit onderzoek werden metalen nanodeeltjes waarvan het oppervlak was gecoat met designer-DNA gebruikt om de kristallen te maken. Het DNA fungeerde als een codeerbaar bindingsmateriaal en transformeerde ze in zogenaamde programmeerbare atoomequivalenten (PAE's). Deze benadering biedt uitzonderlijke controle over de vorm en parameters van de kristalroosters, aangezien de nanodeeltjes kunnen worden "geprogrammeerd" om zichzelf op gespecificeerde manieren te rangschikken, volgens een reeks regels die eerder door Mirkin en zijn collega's zijn ontwikkeld.

Tot nu toe hebben wetenschappers echter geen manier gehad om roosters met bepaalde kristalsymmetrieën te maken. Omdat veel PAE's isotroop zijn - wat betekent dat hun structuren in alle richtingen uniform zijn - hebben ze de neiging om in zeer symmetrische samenstellingen te rangschikken, en het is moeilijk om roosters met een lage symmetrie te maken. Dit heeft de soorten structuren die kunnen worden gesynthetiseerd beperkt, en dus de optische eigenschappen die ermee kunnen worden gerealiseerd.

De doorbraak kwam door een nieuwe benadering van het beheersen van valentie. In de chemie is valentie gerelateerd aan de rangschikking van elektronen rond een atoom. Het bepaalt het aantal bindingen dat het atoom kan vormen en de geometrie die het aanneemt. Voortbouwend op een recente ontdekking dat kleine PAE's zich kunnen gedragen als elektronenequivalenten, zwervend door roosters van grotere PAE's en deze stabiliseren, hebben de onderzoekers van Northwestern en Michigan de valentie van hun elektronenequivalenten gewijzigd door de dichtheid van de DNA-strengen die op hun oppervlak zijn geënt aan te passen.

Vervolgens gebruikten ze geavanceerde elektronenmicroscopie om te observeren hoe het veranderen van de valentie van de elektronenequivalenten hun ruimtelijke verdeling over de PAE's en dus de resulterende roosters beïnvloedde. Ze onderzochten ook de effecten van veranderende temperaturen en het veranderen van de verhouding van PAE's tot elektronenequivalenten.

"We hebben meer complexe structuren onderzocht waar controle over het aantal buren rond elk deeltje verdere symmetriebreking veroorzaakte", zei Glotzer. "Onze computersimulaties hielpen de gecompliceerde patronen te ontcijferen en de mechanismen te onthullen die de nanodeeltjes in staat stelden om ze te creëren."

Deze aanpak vormde de basis voor drie nieuwe, nooit eerder gesynthetiseerde kristallijne fasen. Eén, een driedubbele dubbele gyroïde structuur, heeft geen bekend natuurlijk equivalent.

Deze colloïdale kristallen met lage symmetrie hebben optische eigenschappen die niet kunnen worden bereikt met andere kristalstructuren en kunnen worden gebruikt in een breed scala aan technologieën. Hun katalytische eigenschappen zijn ook verschillend. Maar de nieuwe structuren die hier worden onthuld, zijn slechts het begin van de mogelijkheden nu de voorwaarden voor het doorbreken van de symmetrie zijn begrepen.

"We bevinden ons midden in een ongekend tijdperk van synthese en ontdekking van materialen", zegt Mirkin. "Dit is weer een stap voorwaarts om nieuwe, onontgonnen materialen uit het schetsboek te halen en in toepassingen te brengen die kunnen profiteren van hun zeldzame en ongebruikelijke eigenschappen."

Glotzer is ook de John Werner Cahn Distinguished University Professor of Engineering, de Stuart W. Churchill Collegiate Professor of Chemical Engineering, en een professor in materiaalwetenschap en techniek, macromoleculaire wetenschappen en techniek, en natuurkunde aan de Universiteit van Michigan. Byeongdu Lee van Argonne National Laboratory is een corresponderende auteur bij Mirkin en Glotzer. + Verder verkennen

Elektronen-gedragende nanodeeltjes zorgen voor een beter begrip van materie