Den märkliga klassen av material som kallas kvasikristaller har fått en ny medlem. I en tidning som publicerades i torsdags, 20 december, i Vetenskap , forskare från Brown University beskriver ett kvasikristallint supergitter som självmonteras av en enda typ av nanopartikelbyggstenar.

Detta är den första definitiva observationen av ett kvasikristallint supergitter bildat av en enda komponent, säger forskarna. Upptäckten ger ny insikt om hur dessa konstiga kristallliknande strukturer kan uppstå.

"Enkomponents kvasikristallgitter har förutspåtts matematiskt och i datorsimuleringar, men hade inte visats innan detta, sa Ou Chen, en biträdande professor i kemi vid Brown och tidningens senior författare. "Det är en i grunden ny typ av kvasikristall, och vi har kunnat lista ut reglerna för att göra det, vilket kommer att vara användbart i den fortsatta studien av kvasikristallstrukturer."

Kvasikristallmaterial upptäcktes först på 1980-talet av kemisten Dan Shechtman, som 2011 tilldelades Nobelpriset för upptäckten. Till skillnad från kristaller, som består av ordnade mönster som upprepas, kvasikristaller är ordnade men deras mönster upprepas inte. Kvasikristaller har också symmetrier som inte är möjliga i traditionella kristaller. Normala kristaller, till exempel, kan ha trefaldiga symmetrier som uppstår från upprepade trianglar eller fyrfaldiga symmetri från upprepade kuber. Två- och sexfaldiga symmetrier är också möjliga. Men kvasikristaller kan ha exotiska fem-, 10- eller 12-faldiga symmetrier, som alla är "förbjudna" i normala kristaller.

De första kvasikristallina materialen som upptäcktes var metallegeringar, vanligtvis aluminium med en eller flera andra metaller. Än så länge, dessa material har funnit användning som non-stick beläggningar för stekpannor och anti-korrosiva beläggningar för kirurgisk utrustning. Men det har funnits ett stort intresse för att göra nya typer av kvasikristallmaterial - inklusive material gjorda av självmonterande nanopartiklar.

Chen och hans kollegor hade ursprungligen inte bestämt sig för att forska om kvasikristaller. Mycket av Chens arbete har handlat om att överbrygga klyftan mellan världarna i nanoskala och makroskala genom att bygga överbyggnader av nanopartikelbyggstenar. För ungefär två år sedan, han designade en ny typ av nanopartikelbyggsten – en tetraedrisk (pyramidformad) kvantprick. Medan den mesta forskningen om att bygga strukturer från nanopartiklar har gjorts med sfäriska partiklar, Chens tetraedrar kan packas tätare och potentiellt bilda mer komplexa och robusta strukturer.

En annan viktig egenskap hos Chens partiklar är att de är anisotropa, vilket innebär att de har olika egenskaper beroende på deras orientering i förhållande till varandra. En sida av varje pyramidpartikel har en annan ligand (ett bindemedel) än alla andra ytor. Ansikten med liknande ligander tenderar att binda till varandra när partiklarna sätts ihop till större strukturer. Den riktade bindningen ger mer intressanta och komplexa strukturer jämfört med partiklar som saknar anisotropi.

I forskning publicerad nyligen i tidskriften Natur , Chen och hans team demonstrerade en av de mest komplexa överbyggnader som hittills skapats av nanopartikelbyggstenar. I det arbetet, överbyggnaderna sattes ihop medan partiklarna interagerade med ett fast substrat. För detta senaste arbete, Chen och hans kollegor ville se vilken typ av strukturer partiklarna skulle skapa när de monterades ovanpå en vätskeyta, vilket ger partiklarna mer frihetsgrader när de sätter ihop sig själva.

Teamet blev chockade när de upptäckte att den resulterande strukturen faktiskt var ett kvasikristallint gitter.

"När jag insåg att mönstret jag såg var en kvasikristall, Jag mailade Ou och sa "Jag tror jag har hittat något superbra, '" sa Yasutaka Nagaoka, en postdoktor i Chens labb och huvudförfattaren till den nya artikeln. — Det var riktigt spännande.

Med hjälp av transmissionselektronmikroskopi, forskarna visade partiklarna sammansatta till diskreta dekagoner (10-sidiga polygoner), som sydde ihop sig för att bilda ett kvasikristallgitter med 10-faldig rotationssymmetri. Den där 10-faldiga symmetrin, förbjudet i vanliga kristaller, var ett tecken på en kvasikristallin struktur.

Forskarna kunde också förutse de "regler" som deras struktur bildades efter. Medan dekagoner är de primära enheterna i strukturen, de är inte – och kan inte vara – de enda enheterna i strukturen. Att bilda en kvasikristall är lite som att kakla ett golv. Plattorna måste passa ihop på ett sätt som täcker hela golvet utan att lämna några luckor. Det kan inte göras med endast dekagoner eftersom det inte finns något sätt att passa ihop dem som inte lämnar luckor. Andra former behövs för att fylla hålen.

Detsamma gäller för denna nya kvasikristallstruktur - de kräver sekundära "plattor" som kan fylla luckorna mellan dekagonerna. Forskarna fann att det som gjorde att deras struktur kunde fungera är att dekagonerna har flexibla kanter. När det är nödvändigt, en eller flera av deras punkter skulle kunna planas ut. Genom att göra det, de kunde förvandlas till polygoner med nio, åtta, sju, sex eller fem sidor - vad som än krävdes för att fylla utrymmet mellan dekagonerna.

"Dessa dekagoner är i detta begränsade utrymme som de måste dela fredligt, " Chen said. "So they do it by making their edges flexible when they need to."

From that observation, the researchers were able to develop a new rule for forming quasicrystals that they call the "flexible polygon tiling rule." That rule, Chen says, will be useful in continued study of the relatively new area of quasicrystals.

"We think this work can inform research in material science, chemistry, mathematics and even art and design, " Chen said.