Le nanoplacche a forma esagonale si sono disposte in diversi modelli di cristallo, a seconda della lunghezza dei lati degli esagoni. Lunghi esagoni si incastrano in una griglia come un nido d'ape allungato, ma i ricercatori sono rimasti sorpresi dal fatto che gli esagoni i cui lati erano tutti della stessa lunghezza finissero a spina di pesce. I ricercatori di ingegneria dell'Università del Michigan hanno aiutato a capire perché, e il lavoro potrebbe portare a un nuovo strumento per controllare come si organizzano le nanoparticelle. Credito:Xingchen Ye, Università della Pennsylvania
I principali nanoscienziati hanno creato bellissimi, motivi piastrellati con nanocristalli piatti, ma rimasero con un mistero:perché alcuni insiemi di cristalli si disponevano in modo alternato, stile a spina di pesce? Per scoprirlo, si sono rivolti a esperti in simulazione al computer presso l'Università del Michigan e il Massachusetts Institute of Technology.
Il risultato offre ai ricercatori di nanotecnologia un nuovo strumento per controllare come gli oggetti delle dimensioni di un milionesimo di un granello di sabbia si organizzano in materiali utili e un mezzo per scoprire il resto della cassetta degli attrezzi. Un paper sulla ricerca è pubblicato online il 12 maggio in Chimica della natura .
"L'eccitazione in questo non è a spina di pesce, riguarda l'accoppiamento di esperimento e modellazione, e come questo approccio ci permette di affrontare un problema molto difficile, " ha detto Christopher Murray, il professore della Richard Perry University e professore di chimica all'Università della Pennsylvania.
Il gruppo di Murray è famoso per la produzione di nanocristalli e la loro disposizione in sovrastrutture cristalline più grandi.
In definitiva, i ricercatori vogliono modificare le patch sulle nanoparticelle in modi diversi per convincerle a creare modelli più complessi. L'obiettivo è un metodo che permetta alle persone di immaginare cosa vorrebbero fare e quindi progettare un materiale con le proprietà giuste per il lavoro.
"Grazie alle interazioni ingegneristiche su scala nanometrica, possiamo iniziare ad assemblare strutture target di grande complessità e funzionalità su macroscala, "ha detto Sharon Glotzer degli U-M, lo Stuart W. Churchill professore universitario di ingegneria chimica.
Glotzer ha introdotto il concetto di "patchiness" delle nanoparticelle nel 2004. Il suo gruppo utilizza simulazioni al computer per comprendere e progettare le patch.
Recentemente, Il team di Murray ha realizzato modelli con nanocristalli piatti fatti di metalli pesanti, noto ai chimici come lantanidi, e atomi di fluoro. I lantanidi hanno proprietà preziose per l'energia solare e l'imaging medico, come la capacità di convertire tra luce ad alta e bassa energia.
Le nanoplacche a forma esagonale si sono disposte in diversi modelli di cristallo, a seconda della lunghezza dei lati degli esagoni. Lunghi esagoni si incastrano in una griglia come un favo allungato, ma i ricercatori sono rimasti sorpresi dal fatto che gli esagoni i cui lati erano tutti della stessa lunghezza finissero a spina di pesce. I ricercatori di ingegneria dell'Università del Michigan hanno aiutato a capire perché, e il lavoro potrebbe portare a un nuovo strumento per controllare come si organizzano le nanoparticelle. Credito:Xingchen Ye, Università della Pennsylvania
Hanno iniziato scomponendo sostanze chimiche contenenti atomi di un metallo lantanide e fluoro in una soluzione, e il lantanide e il fluoro cominciarono naturalmente a formare cristalli. Anche nel mix c'erano catene di carbonio e idrogeno che si attaccavano ai lati dei cristalli, arrestando la loro crescita a dimensioni di circa 100 nanometri, o 100 milionesimi di millimetro, alle dimensioni maggiori. Utilizzando lantanidi con diversi raggi atomici, potevano controllare che le facce superiore e inferiore dei cristalli esagonali fossero ovunque da molto più lunghe degli altri quattro lati a inesistenti, ottenendo una forma a diamante.
Per formare motivi piastrellati, il team ha steso un sottile strato di nanocristalli e solvente sopra un fluido denso. Quando il solvente evapora, i cristalli avevano meno spazio a disposizione, e cominciarono a fare le valigie insieme.
Le rombi e i lunghissimi esagoni allineati come previsto, i diamanti che formano una griglia in stile Argyle e gli esagoni che combaciano con i loro bordi più lunghi come un nido d'ape di scorcio. Gli esagoni i cui lati erano tutti quasi della stessa lunghezza avrebbero dovuto formare un simile schema a nido d'ape schiacciato, ma invece, si sono allineati in modo più complicato, stile a spina di pesce alternato.
"Ogni volta che vediamo qualcosa che non segue lo schema più semplice possibile, dobbiamo chiederci perché, " ha detto Murray.
Hanno posto la domanda alla squadra di Glotzer.
"Sono stati i leader mondiali nella comprensione di come queste forme potrebbero funzionare su scale nanometriche, e non ci sono molti gruppi che possono fare i cristalli che facciamo noi, " Murray ha detto. "Sembrava naturale mettere insieme questi punti di forza".
Glotzer e il suo gruppo hanno costruito un modello al computer in grado di ricreare l'autoassemblaggio della stessa gamma di forme che Murray aveva prodotto. Le simulazioni hanno mostrato che se gli esagoni equilateri interagiscono tra loro solo attraverso le loro forme, la maggior parte dei cristalli formava lo schema a nido d'ape di scorcio, non la spina di pesce.
"È stato allora che abbiamo detto, 'Va bene, ci deve essere qualcos'altro in corso. Non è solo un problema di imballaggio, '", ha detto Glotzer.
La sua squadra, che includeva lo studente laureato in UM Andres Millan e il ricercatore Michael Engel, poi ha iniziato a giocare con le interazioni tra i bordi delle particelle. Hanno scoperto che se i bordi che formavano i punti erano più appiccicosi degli altri due lati, gli esagoni si disporrebbero naturalmente a spina di pesce.
I team sospettavano che la fonte della viscosità fossero quelle catene di carbonio e idrogeno, che forse si attaccavano più facilmente ai bordi delle punte. Poiché la sperimentazione non offre ancora un modo per misurare il numero di catene di idrocarburi sui lati di particelle così minuscole, Murray ha chiesto a Ju Li, ora professore di scienze e ingegneria nucleare della Battelle Energy Alliance presso il Massachusetts Institute of Technology, per calcolare come le catene si attaccherebbero ai bordi a livello di meccanica quantistica.
Il gruppo di Li ha confermato che a causa del modo in cui le diverse sfaccettature tagliano il reticolo degli atomi di metallo e fluoro, più catene di idrocarburi potrebbero aderire ai quattro bordi che hanno portato a punti rispetto ai restanti due lati. Di conseguenza, le particelle diventano irregolari.
"Il nostro studio mostra una via da seguire apportando cambiamenti molto sottili nell'architettura a blocchi e ottenendo un cambiamento molto profondo nel modello autoassemblato più ampio, " Ha detto Glotzer. "L'obiettivo è avere manopole che puoi cambiare solo un po 'e ottenere un grande cambiamento nella struttura, e questo è uno dei primi documenti che mostra una via da seguire per come farlo."
Il documento è intitolato "Competizione di irregolarità di forma e interazione per nanopiastre autoassemblanti".
Murray è anche professore di scienza e ingegneria dei materiali. Glotzer è anche professore di scienza e ingegneria dei materiali, scienza e ingegneria macromolecolare, fisica e fisica applicata. Li è anche professore di scienza dei materiali e ingegneria.
