Источник фото: news.mit.edu
Улучшение характеристик материалов напрямую связано с тем, насколько точно удается управлять их структурой на мельчайшем уровне. Наночастицы с легко настраиваемыми формой и размерами уже демонстрируют перспективы в энергетике, медицине и электронике. Однако превращать их в полезные материалы мешает сложность контроля над числом и направлением связей между отдельными частицами.
Исследователи пробовали менять форму частиц или точно выравнивать жесткие соединительные цепочки, но оба подхода ограничивают доступные структуры и плохо масштабируются. Группа ученых, в которую вошли специалисты Массачусетского технологического института (MIT), предложила иной путь. Они разработали настраиваемый метод с использованием сверхгибких молекул-соединителей, которые регулируют упаковку сетей наночастиц за счет намеренной деформации в зависимости от окружения.
В статье, опубликованной в журнале Nature Materials, показано, как гибкость соединителей и электрические заряды позволяют управлять структурой сети. С помощью этой техники авторы создали новые виды материалов на основе наночастиц. Подход может дать более универсальный способ получать высокоэффективные материалы для фотоники, химического катализа, медицины и сельского хозяйства.
«Людям интересны суперрешетки наночастиц из-за обещания создавать материалы с заданными свойствами, где у тебя больше влияния на то, какие структуры они могут образовывать», — приводит слова профессора MIT Роба Макфарлейна издание. По его словам, это новый подход в сборке наночастиц, который раньше не изучали. «Это точная противоположность тому, что было догмой 20 лет: нужно делать соединительные лиганды жесткими, и любое отклонение приводит к провалу сборки. Мы показали, что если выкрутить все до противоположной крайности, это работает так же хорошо», — отметил он.
В основе работы лежит известный принцип: структура материала определяет его функцию. Наночастицы дают ученым гибкий строительный блок, но собрать из них крупные структуры сложно из-за плотной упаковки. В новой системе частицы покрыты гибкими лигандами с электрически заряженными концами — часть с положительным зарядом, часть с отрицательным. Противоположные заряды притягиваются, и лиганды изгибаются, чтобы соединиться.
В экспериментах исследователи показали, что связями можно управлять, меняя размеры наночастиц и длину цепочек лигандов. Технику также использовали для сборки наночастиц в ранее не встречавшиеся кристаллические структуры. «Степень гибкости полимера определяет, сколько связей он имеет. Это позволяет нам снижать число связей у каждой частицы и создавать решетки, которых мы никогда раньше не видели», — пояснил Макфарлейн. Работа частично поддержана Национальным научным фондом, Министерством энергетики, а также армией и флотом США.