Mesocrystals zijn een klasse van vaste stoffen gevormd door de regelmatige rangschikking van nanokristallen, dit zijn kleine nanodeeltjes die unieke eigenschappen hebben vanwege hun kleine formaat. In mesokristallen nemen deze een sterk georganiseerde, bovengeschikte vorm aan in een dicht opeengepakt raster. Een Duits-Zwitsers onderzoeksteam onder leiding van professor Helmut Cölfen, een chemicus uit Konstanz, is er nu in geslaagd om bijzonder complexe mesokristallen met grotendeels onbekende chemische en fysische eigenschappen te synthetiseren en licht te werpen op hun structuur.

Wat is er zo speciaal? Twee verschillende nanokristallen - platina en magnetietkubussen - zijn de basisbouwstenen van de nieuwe vaste stoffen die zichzelf assembleren tot een driedimensionale bovenbouw. Tot nu toe konden mesocrystals uit twee verschillende basisbouwstenen, binaire mesocrystals genaamd, alleen worden geproduceerd als tweedimensionale structuren.

De synthetische route en structurele karakterisering van de 3D binaire mesocrystals van platina en magnetiet nanokristallen zijn zojuist beschreven in het tijdschrift Angewandte Chemie International Edition . De resultaten van het onderzoek zijn de eerste stap naar een mogelijk "bouwsetsysteem" dat het in de toekomst mogelijk zou kunnen maken om de eigenschappen van verschillende nanokristallen gericht te combineren en over te dragen naar de beter beheersbare microwereld - wat resulteert in een veelvoud van van mogelijke voordelen en toepassingen.

Nanotechnologie in het oude Rome

De basisbouwstenen van mesokristallen zijn nanokristallen. Door hun kleine formaat, dat zelfs kleiner kan zijn dan dat van virussen, vertonen ze unieke eigenschappen die grotere deeltjes van hetzelfde materiaal missen. Denk hierbij aan het ingewikkeld klinkende 'quantum size effect', dat is waar te nemen in halfgeleider nanodeeltjes met een diameter in het nanometerbereik, resulterend in een grootteafhankelijke kleur, die onder meer een belangrijke rol speelt bij de productie van LED's. Een ander voorbeeld is het oppervlakte-plasmonresonantie-effect, dat metalen nanodeeltjes grootteafhankelijke optische eigenschappen geeft.

De mensheid maakte al in de tijd van het Romeinse Rijk gebruik van sommige van deze nano-eigenschappen. Een bekend voorbeeld is de Lycurgus Cup uit de vierde eeuw, nu te zien in het British Museum, waarvan de glaselementen van kleur veranderen afhankelijk van de lichtinval en de kijkhoek. De reden:het glas van de beker is geïmpregneerd met gouden en zilveren nanodeeltjes die het oppervlakteplasmonresonantie-effect aantonen. Ook de sterke en duurzame kleuren van middeleeuwse kerkramen zijn op dit effect gebaseerd, aangezien er gouden nanodeeltjes in het glas van de ramen zijn gegoten.

Het beste van twee werelden

"Door mesokristallen te maken van nanokristallen, is het nu mogelijk om deze en andere eigenschappen, die voorheen voorbehouden waren aan de kleinste vaste stoffen, over te dragen naar vaste stoffen met afmetingen in het micrometerbereik", legt Helmut Cölfen, hoogleraar fysische chemie aan de Universiteit van Konstanz en hoofd van het onderzoeksproject. "Dit maakt mesokristallen buitengewoon interessante objecten in materiaalonderzoek."

De micrometerschaal omvat objecten tot 100.000 keer groter dan nanodeeltjes, wat nog steeds erg klein is, maar een enorm verschil maakt in de beheersbaarheid van de deeltjes. Zo kunnen deeltjes met afmetingen in het micrometerbereik veel beter worden gefilterd dan nanodeeltjes. In het geval van vaste stoffen zoals mesokristallen neemt dit ook een beslissend nadeel van nanodeeltjes weg:hun potentiële toxiciteit. In het verleden zijn nanodeeltjes steeds meer de focus geworden van gezondheidsonderzoek, omdat ze in ongebonden toestand gemakkelijk het lichaam kunnen binnendringen via de huid, het voedsel of de adem. "Door hun kleine formaat kunnen nanodeeltjes belangrijke beschermende barrières van het menselijk lichaam overwinnen. De aanzienlijk grotere mesokristallen daarentegen niet", zegt Helmut Cölfen.

Het doel bereiken met geduld

Zoals beschreven in de huidige studie, worden deze kubusvormige basisbouwstenen eerst in een oplosmiddel geplaatst en wordt een dispersie gemaakt om de tot nu toe unieke 3D binaire mesocrystals te produceren uit platina en magnetiet nanokristallen die in de huidige studie worden beschreven. De mengverhouding speelt hierbij een beslissende rol en komt later tot uiting in de samenstelling van het mesokristal. "Als we een druppel van het bouwsteenmengsel zouden nemen en het oplosmiddel gewoon zouden laten verdampen, zouden we ook een binair mesokristal krijgen, maar het zou tweedimensionaal zijn in plaats van driedimensionaal. Daarom moesten we iets nieuws bedenken om driedimensionale mesokristallen te creëren", meldt Helmut Cölfen.

De sleutel tot succes:vertraging. Voor dit doel wordt de dispersie met de nanokristallen in een extra, gesloten container gedaan die een chemische stof bevat waarin de nanokristallen niet kunnen oplossen - een 'non-solvent', om zo te zeggen. Daarna is het gewoon afwachten. Langzaam, in de loop van enkele dagen, verdampt het niet-oplosmiddel geleidelijk en vermengt het zich steeds meer met de nanokristaldispersie. "Op een gegeven moment beginnen de nanokristallen te interageren door aan elkaar te koppelen vanwege de toename van niet-oplosmiddel in de dispersie. Normaal gesproken gebeurt zoiets snel en oncontroleerbaar. Door het proces uit te breiden via de verdamping van het niet-oplosmiddel over meerdere dagen en waardoor het effect van het eigenlijke oplosmiddel slechts geleidelijk wordt verminderd in plaats van plotseling, wordt het proces veel meer gecontroleerd. Het resultaat van onze methode zijn 'grote' driedimensionale mesokristallen", legt Helmut Cölfen uit.

Er duiken nieuwe, onontgonnen eigenschappen op

Nadat de Konstanz-chemici onder leiding van Helmut Cölfen met succes de driedimensionale mesocrystals hadden gesynthetiseerd, karakteriseerden ze hun exacte structuur in samenwerking met Zwitserse collega's van het Centrum voor röntgenanalyse van de Zwitserse federale laboratoria voor materiaalwetenschap en -technologie (Empa) in St. Gallen en het Paul Scherrer Instituut (PSI) in Villingen. Ze konden aantonen dat tijdens de synthese daadwerkelijke driedimensionale, binaire mesokristallen van platina- en magnetiet-nanokristallen worden gevormd. Tot nu toe kunnen de onderzoekers alleen speculeren over de volledige fysische en chemische eigenschappen van deze nieuwe vaste stoffen.

De combinatie van de twee eigenschappen zou dan resulteren in een zeer goede chemische katalysator vanwege de platinacomponent, die op zijn beurt na gebruik gemakkelijk kan worden gescheiden en teruggewonnen met een magneet vanwege de magnetietcomponent. Het waardevolle materiaal platina zou niet verloren gaan. Mesocrystals behouden echter niet alleen de eigenschappen van de nanokristallen die ze bevatten, ze hebben ook eigenschappen die verder gaan dan die van hun individuele bouwstenen. "Als de individuele nanokristallen op elkaar inwerken en zich koppelen in de bovenliggende structuur van het mesokristal, ontstaan ​​er compleet nieuwe, collectieve eigenschappen die de individuele deeltjes zelf helemaal niet hebben", legt Helmut Cölfen enthousiast uit en vervolgt:"Deze in de toekomst in detail onderzoeken zal extreem spannend zijn."

De eerste stap naar een potentieel bouwpakketsysteem

De productie van driedimensionale mesocrystals uit platina en magnetiet nanokubussen is niet het einde van het verhaal. Integendeel, het is de bedoeling om in de toekomst ook andere nanokristallen te combineren met het ontwikkelde proces. Volgens de onderzoekers zijn hun resultaten eerder de eerste stap naar een potentieel bouwpakketsysteem:"Ons doel is om de methode te verfijnen, zodat idealiter een grote verscheidenheid aan nanokristallen en hun eigenschappen op elke gewenste manier kunnen worden gecombineerd. van zoals LEGO-stenen," geeft Helmut Cölfen een blik en vervolgt met een glimlach:"Het platina-magnetiet-mesocrystal zou dan het eerste torentje zijn, om zo te zeggen, dat we van onze stenen bouwden."

"Het produceren van structuren zoals onze driedimensionale, binaire mesocrystals was precies een van de doelen van dit Collaborative Research Centre. Wat we nu moeten doen, is de interacties tussen de nanobouwstenen karakteriseren en de resulterende, nieuwe eigenschappen bestuderen", besluit Helmut Kolfen. + Verder verkennen

Onderzoekers ontdekken een nieuwe manier om complexe kristallen te vormen