Queste immagini al microscopio elettronico a trasmissione mostrano i due diversi modelli che i nanocristalli potrebbero essere fatti per impacchettare.
Quando i nanoscienziati dell'Università della Pennsylvania crearono cose belle, motivi piastrellati con nanocristalli piatti, rimasero con un mistero:perché alcuni insiemi di cristalli si disponevano in modo alternato, stile a spina di pesce, anche se non era il modello più semplice? 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, fornisce un mezzo per scoprire le regole per "programmarli" nelle configurazioni desiderate.
Lo studio è stato condotto da Christopher Murray, un professore con incarichi presso il Dipartimento di Chimica della Scuola delle Arti e delle Scienze e il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali della Scuola di Ingegneria e Scienze Applicate. Nel team Penn c'erano anche Cherie Kagan, una chimica, MSE e professore di ingegneria elettrica e dei sistemi, e ricercatori post-dottorato Xingchen Ye, Jun Chen e Guozhong Xing.
Hanno collaborato con Sharon Glotzer, un professore di ingegneria chimica al Michigan, e Ju Li, professore di scienze e ingegneria nucleare al MIT.
La loro ricerca è stata pubblicata sulla copertina del giornale Chimica della natura .
"L'eccitazione in questo non è a spina di pesce, "Murray ha detto, "Riguarda l'accoppiamento tra esperimento e modellazione e come questo approccio ci consente di affrontare un problema molto difficile".
Il lavoro precedente nel gruppo di Murray si è concentrato sulla creazione di nanocristalli e sulla 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 sviluppare "materia di programmazione, " questo è, un metodo per progettare nuovi materiali in base alle proprietà necessarie per un particolare lavoro.
"Grazie alle interazioni ingegneristiche su scala nanometrica, "Glotzer ha detto, "possiamo iniziare ad assemblare strutture target di grande complessità e funzionalità su macroscala".
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.
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 purificato i nanocristalli e li ha miscelati con un solvente. Spalmano questa miscela in uno strato sottile su un fluido denso, che sosteneva i cristalli consentendo loro di muoversi. 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 formano una griglia in stile argyle e gli esagoni si abbinano ai 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 allineavano a spina di pesce alternata.
"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 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. Forse si attaccavano più facilmente ai bordi della punta, pensavano i membri della squadra. Poiché l'esperimento non offre ancora un modo per misurare il numero di catene di idrocarburi ai lati di particelle così minuscole, Murray ha chiesto a Ju Li del MIT di calcolare come le catene si sarebbero attaccate 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."
