Ledande nanoforskare skapade vackra, kaklade mönster med platta nanokristaller, men de lämnades med ett mysterium:Varför ordnade sig några uppsättningar kristaller i en omväxlande, fiskbensstil? Att få reda på, de vände sig till experter inom datorsimulering vid University of Michigan och Massachusetts Institute of Technology.

Resultatet ger nanoteknikforskare ett nytt verktyg för att kontrollera hur föremål som är en miljondel av storleken på ett sandkorn ordnar sig i användbara material - och ett sätt att upptäcka resten av verktygslådan. En artikel om forskningen publiceras online den 12 maj Naturkemi .

"Spänningen i detta ligger inte i fiskbensmönstret, det handlar om kopplingen av experiment och modellering, och hur det tillvägagångssättet låter oss ta oss an ett mycket svårt problem, sa Christopher Murray, Richard Perry University Professor och professor i kemi vid University of Pennsylvania.

Murrays grupp är känd för att göra nanokristaller och arrangera dem i större kristallöverbyggnader.

I sista hand, forskare vill modifiera fläckar på nanopartiklar på olika sätt för att få dem till mer komplexa mönster. Målet är en metod som gör att människor kan föreställa sig vad de skulle vilja göra och sedan designa ett material med rätt egenskaper för jobbet.

"Genom att skapa interaktioner på nanoskala, vi kan börja sätta ihop målstrukturer med stor komplexitet och funktionalitet på makroskalan, " sa UM:s Sharon Glotzer, Stuart W. Churchill kollegial professor i kemiteknik.

Glotzer introducerade begreppet nanopartikel "patchiness" 2004. Hennes grupp använder datorsimuleringar för att förstå och designa plåstren.

Nyligen, Murrays team gjorde mönster med platta nanokristaller gjorda av tungmetaller, kända av kemister som lantanider, och fluoratomer. Lantanider har värdefulla egenskaper för solenergi och medicinsk bildbehandling, såsom möjligheten att konvertera mellan hög- och lågenergiljus.

De började med att bryta ner kemikalier som innehåller atomer av en lantanidmetall och fluor i en lösning, och lantaniden och fluoret började naturligt bilda kristaller. I blandningen fanns också kedjor av kol och väte som fastnade på sidorna av kristallerna, stoppar deras tillväxt vid storlekar på cirka 100 nanometer, eller 100 miljondelar av en millimeter, vid de största dimensionerna. Genom att använda lantanider med olika atomradier, de kunde kontrollera de hexagonala kristallernas övre och nedre ytor att vara allt från mycket längre än de andra fyra sidorna till obefintliga, resulterar i en diamantform.

För att skapa kaklade mönster, teamet spred ett tunt lager av nanokristaller och lösningsmedel ovanpå en tjock vätska. När lösningsmedlet avdunstat, kristallerna hade mindre utrymme tillgängligt, och de började packa ihop.

Diamantformerna och de mycket långa hexagonerna radade upp som förväntat, diamanterna bildar ett rutnät i Argyle-stil och hexagonerna matchar sina längsta kanter som en förkortad bikaka. Hexagonerna vars sidor alla var nästan lika långa borde ha bildat ett liknande klämt bikakemönster, men istället, de ställdes upp i mer komplicerade, alternerande fiskbensstil.

"När vi ser något som inte tar det enklaste mönstret som möjligt, vi måste fråga varför, " sa Murray.

De ställde frågan till Glotzers team.

"De har varit världsledande när det gäller att förstå hur dessa former kunde fungera på nanometerskala, och det finns inte många grupper som kan göra kristallerna vi gör, "Sa Murray. "Det verkade naturligt att sammanföra dessa styrkor."

Glotzer och hennes grupp byggde en datormodell som kunde återskapa självmonteringen av samma spektrum av former som Murray hade producerat. Simuleringarna visade att om de liksidiga hexagonerna endast interagerade med varandra genom sina former, de flesta av kristallerna bildade det förkortade bikakemönster - inte fiskbenet.

"Det var då vi sa, 'Okej, det måste vara något annat på gång. Det är inte bara ett packningsproblem, sa Glotzer.

Hennes team, som inkluderade U-M-studenten Andres Millan och forskaren Michael Engel, började sedan leka med interaktioner mellan kanterna på partiklarna. De fann att om kanterna som bildade spetsarna var klibbigare än de andra två sidorna, hexagonerna skulle naturligt ordna sig i fiskbensmönstret.

Teamen misstänkte att källan till klibbigheten var de där kol- och vätekedjorna - kanske fäste de lättare vid spetskanterna. Eftersom experiment ännu inte erbjuder ett sätt att mäta antalet kolvätekedjor på sidorna av sådana små partiklar, Murray frågade Ju Li, nu Battelle Energy Alliance professor i kärnkraftsvetenskap och teknik vid Massachusetts Institute of Technology, för att beräkna hur kedjorna skulle fästa vid kanterna på en kvantmekanisk nivå.

Lis grupp bekräftade att på grund av det sätt som de olika aspekterna skär över metall- och fluoratomernas gitter, fler kolvätekedjor kunde fastna på de fyra kanterna som ledde till spetsar än de återstående två sidorna. Som ett resultat, partiklarna blir fläckiga.

"Vår studie visar en väg framåt genom att göra mycket subtila förändringar i byggstensarkitektur och få en mycket djupgående förändring i det större självmonterade mönstret, " Sa Glotzer. "Målet är att ha rattar som du kan ändra bara lite och få en stor förändring i struktur, och det här är en av de första tidningarna som visar en väg framåt för hur man gör det."

Uppsatsen har titeln "Konkurrens mellan form och interaktionsförmåga för självmonterande nanoplattor."

Murray är också professor i materialvetenskap och teknik. Glotzer är också professor i materialvetenskap och teknik, makromolekylär vetenskap och teknik, fysik och tillämpad fysik. Li är också professor i materialvetenskap och teknik.