Geïnspireerd door de natuur hebben onderzoekers op het gebied van de nanotechnologie 'spontane kromming' geïdentificeerd als de sleutelfactor die bepaalt hoe ultradunne, kunstmatige materialen kunnen transformeren in bruikbare buizen, draaiingen en spiralen.

Een beter begrip van dit proces – dat nabootst hoe sommige zaaddozen in de natuur opengaan – zou een reeks nieuwe chirale materialen kunnen ontsluiten die 1000 keer dunner zijn dan een mensenhaar, met het potentieel om het ontwerp van optische, elektronische en mechanische apparaten te verbeteren.

Chirale vormen zijn structuren die niet over hun spiegelbeeld heen kunnen worden gelegd, net zoals uw linkerhand een spiegelbeeld is van uw rechterhand, maar er niet perfect bovenop kan passen.

Spontane kromming veroorzaakt door kleine moleculen kan worden gebruikt om de vorm van dunne nanokristallen te veranderen, beïnvloed door de kristalbreedte, dikte en symmetrie.

Het onderzoek, gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences , werd uitgevoerd door leden van het National Centre for Scientific Research (CNRS) in Frankrijk, samen met hun collega's van het ARC Centre of Excellence in Exciton Science, gevestigd aan de Universiteit van Sydney.

Vormverandering op nanoschaal

Stel je een stuk papier voor dat, wanneer het in een oplossing wordt gedompeld, zonder enige externe kracht in een spiraal draait of krult. Dit lijkt op wat er op nanoschaal gebeurt met bepaalde dunne materialen.

Onderzoekers hebben ontdekt dat wanneer bepaalde soorten halfgeleidende nanoplaatjes – extreem dunne, platte kristallen – worden bedekt met een laag organische moleculen die liganden worden genoemd, ze in complexe vormen krullen, waaronder buizen, wendingen en spiralen. Deze transformatie wordt aangedreven door de verschillende krachten die de liganden uitoefenen op de boven- en onderoppervlakken van de nanoplaatjes.

Het belang van deze bevinding ligt in het vermogen om de vorm van deze nanoplaatjes te voorspellen en te controleren door de interactie tussen de liganden en het oppervlak van de nanoplaatjes te begrijpen.

Van het ontwerp van de natuur tot innovatie op nanoschaal

De inspiratie voor dit onderzoek komt voort uit het observeren van natuurverschijnselen waarin spiraalvormige structuren overheersen, van het DNA in onze cellen tot het spontaan draaien van zaaddozen. Deze structuren bezitten unieke eigenschappen die zeer wenselijk zijn in de materiaalkunde vanwege hun potentiële toepassingen in mechanica, elektronica en optica.

Nanoplaatjes, met hun vermogen om spiraalvormige structuren te vormen, en uitzonderlijke optische eigenschappen als gevolg van kwantumopsluiting, vallen op als een uitstekende kandidaat voor het creëren van nieuwe materialen met specifieke kenmerken. Dit kunnen materialen zijn die selectief licht reflecteren, elektriciteit op nieuwe manieren geleiden of unieke mechanische eigenschappen hebben.

Een raamwerk voor toekomstige technologieën

De implicaties van dit onderzoek zijn aanzienlijk. Door een raamwerk te bieden om de vorm van nanoplaatjes te begrijpen en te controleren, beschikken wetenschappers over een nieuw hulpmiddel om materialen met nauwkeurig afgestemde eigenschappen te ontwerpen voor gebruik in technologieën variërend van geavanceerde elektronica tot responsieve, slimme materialen.

Nanoplaatjes kunnen bijvoorbeeld zo worden ontworpen dat ze van vorm veranderen als reactie op omgevingsomstandigheden, zoals temperatuur of licht, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor materialen die zich aanpassen aan en reageren op hun omgeving. Dit zou kunnen leiden tot doorbraken in het creëren van efficiëntere sensoren.

Bovendien duidt de studie op de mogelijkheid om materialen te creëren die tussen verschillende vormen kunnen schakelen met minimale energie-input, een eigenschap die zou kunnen worden benut bij het ontwikkelen van nieuwe vormen van actuatoren of schakelaars op nanoschaal.

Meer informatie: Debora Monego et al., Door ligand geïnduceerde incompatibele krommingen beheersen het polymorfisme en de chiraliteit van ultradunne nanoplaatjes, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2316299121

Aangeboden door ARC Centre of Excellence in Exciton Science