(Phys.org)—För första gången, forskare har simulerat partiklar som spontant kan självmontera sig till nätverk som bildar geometriska arrangemang som kallas arkimedeiska plattsättningar. Nyckeln till att förverkliga dessa strukturer är en strategi som kallas minimal positiv design, där både geometrin och partiklarnas kemiska selektivitet beaktas. Processen har tillämpningar inom molekylär självmontering, som en dag skulle kunna användas för att bygga en mängd olika nanoskalateknologier.

Stephen Whitelam, en forskare vid Molecular Foundry vid Lawrence Berkeley National Laboratory, har publicerat ett papper om den minimala positiva designstrategin för självmonterande arkimediska plattsättningar i ett färskt nummer av Fysiska granskningsbrev .

Tidigare, forskare har framgångsrikt självmonterat partiklar till platoniska plattor, som är enklare arrangemang som består av regelbundna periodiska arrayer av en enda form, som rutor, trianglar, eller hexagoner. Att göra detta, forskare använder en strategi som kallas positiv design, där den önskade strukturen främjas baserat på partikelgeometrin. När partiklarna kombineras och kyls, de självmonterar spontant till platoniska plattor på grund av en mängd olika underliggande kemikalier, fysisk, och termodynamiska interaktioner.

Självmonterande partiklar till nästa enklaste arrangemang, Arkimedeiska plattor, är mycket svårare. Arkimedeiska plattor är sammansatta av två eller tre olika former, och bara en typ av vertex (så om du zoomade in på skärningspunkterna, de skulle alla se likadana ut, har samma vinklar i samma ordning). Det finns åtta typer av arkimedeiska plattsättningar, och den nya designstrategin kan bygga alla åtta av dem.

Den nya aspekten av den nya designstrategin är det "minimala" elementet, som hänvisar till kemisk selektivitet. Whitelam fann att om du identifierar alla interpartikelinteraktioner som är involverade i ett önskat arrangemang, och välj sedan partiklar med endast dessa interaktioner och inga andra, sedan under ett enkelt kylningsprotokoll kommer partiklarna att självmontera till den önskade strukturen. Den "positiva" aspekten av strategin är att den fungerar genom att främja den önskade strukturen, och kräver inte undertryckande av alla de många möjliga oönskade strukturerna.

Simuleringarna visade också att om kemisk selektivitet inte beaktas, då samlas inte partiklar själv ihop till arkimedeiska plattor, visar att den kemiska selektiviteten är avgörande för att realisera dessa strukturer.

"Resultaten visar att du behöver 'kemisk specificitet' av interaktioner för att självmontera vissa enkla, vanliga strukturer, " berättade Whitelam Phys.org . "Jag ville skriva ett papper om mängden "information" som du behöver "programmera" till en partikel för att den ska kunna monteras själv, i närvaro av många kopior av sig själv, till en önskad struktur.

"Det enklaste sättet att lägga kakel på ett plan är att täcka det med trianglar, eller med rutor, eller med hexagoner. Dessa mönster kallas platonska eller vanliga arkimedeiska plattsättningar. Andra författare har visat att partiklar med vissa geometriska egenskaper - med klibbiga fläckar i vissa vinklar - spontant kan bilda nätverk som är likvärdiga med dessa plattsättningar, vilket betyder att om du drar linjer mellan partikelcentra, då ser bilden du får ut som en plattsättning.

"Nästa enklaste sättet att täcka en yta är med kombinationer av två eller tre vanliga polygoner, och dessa mönster kallas de semi-regelbundna arkimedeiska plattsättningarna (ofta bara arkimedeiska plattsättningar). Andra forskare har använt simuleringar för att visa att partiklar med rätt geometri ensamma förmodligen inte kan självmontera till sådana strukturer. Mitt arbete bekräftar detta faktum, men visar att det som fungerar är om partikelinteraktionerna är kemiskt specifika, vilket innebär att de klibbiga plåstren bara fastnar på vissa andra klibbiga plåster. På det här sättet, partiklar undviker att göra många bindningsmisstag, och lyckas hitta rätt struktur."

Intressant, kemisk selektivitet används också för att kontrollera interpartikelinteraktioner mellan biologiska partiklar, som proteiner och DNA.

"En aspekt av detta resultat är redan allmänt känd:forskare som använder DNA-nanoteknik använder rutinmässigt DNA-medierade kemiskt specifika interaktioner för att göra strukturer lika komplexa eller mer komplexa än arkimediska plattsättningar, " Whitelam said. "What surprised me is 1) that you need this strategy even for the Archimedean tilings (among the most simple regular structures), and 2) that all you need is this strategy (that is, chemical specificity is both 'necessary and sufficient'). I wanted to emphasize this fact because it did not seem obvious to me that one should need chemical specificity to make the networks equivalent to the Archimedean tilings."

Whitelam expects that the minimal positive design strategy should also work for self-assembling particles into other types of arrangements besides Archimedean tilings. The ability to self-assemble particles into various patterns could provide a tool for fabricating future nanoscale devices.

"Researchers would like to be able to control the patterns of molecules on surfaces for several reasons, " Whitelam said. "One is that if you can control what sits on a surface and how it is organized then you can influence the chemical and physical properties of the surface. Another is that networks in two dimensions can be used to 'host, ' or position, other molecules:imagine putting particles (such as metal nanoparticles, potentially useful in next-generation electronics devices) in the pores of the networks. It is important to be able to control the relative positions of such particles; being able to assemble any of the Archimedean tilings, or indeed any network you desired, would be a good way of doing this."

I framtiden, Whitelam plans to work with other scientists who come to The Molecular Foundry at Berkeley Lab, which is a US Department of Energy User Facility for nanoscience.

"My aim is to build on this work in order to collaborate with Foundry Users—scientists who come to the Foundry to do collaborative nanoscience—who make DNA-linked particles, " he said. "We would like to work out how to design such particles in order to make new nanostructures 'to order.'

© 2016 Phys.org