Med bara elektrostatisk laddning, vanliga mikropartiklar kan spontant organisera sig i högt ordnade kristallina material - motsvarande bordssalt eller opaler, enligt en ny studie ledd av New York University kemister och publicerad i Natur .

"Vår forskning lyser nytt ljus på självmonteringsprocesser som kan användas för att tillverka nya funktionella material, " sa Stefano Sacanna, docent i kemi vid NYU och studiens seniorförfattare.

Självmontering är en process där små partiklar känner igen varandra och binder på ett förutbestämt sätt. Dessa partiklar samlas och sätts ihop till något användbart spontant, efter en utlösande händelse, eller ändrade förutsättningar.

Ett tillvägagångssätt för att programmera partiklar för att monteras på ett speciellt sätt är att belägga dem med DNA-strängar; den genetiska koden instruerar partiklarna om hur och var de ska binda med varandra. Dock, eftersom detta tillvägagångssätt kräver en avsevärd mängd DNA, det kan vara dyrt och begränsas till att göra mycket små prover.

I deras studie i Natur , forskarna tog ett annat förhållningssätt till självmontering med en mycket enklare metod. Istället för att använda DNA, de använde elektrostatisk laddning.

Processen liknar vad som händer när du blandar salt i en kastrull med vatten, Sacanna förklarade. När salt tillsätts vatten, de små kristallerna löses upp i negativt laddade klorjoner och positivt laddade natriumjoner. När vattnet avdunstar, de positivt och negativt laddade partiklarna rekombinerar till saltkristaller.

"Istället för att använda atomjoner som de i salt, vi använde kolloidala partiklar, som är tusentals gånger större. När vi blandar de kolloidala partiklarna under rätt förhållanden, de beter sig som atomjoner och sätts ihop till kristaller, sa Sacanna.

Processen gör det möjligt att tillverka stora mängder material.

"Med hjälp av partiklarnas naturliga ytladdning, vi lyckades undvika att göra någon av ytkemin som vanligtvis krävs för en sådan komplicerad montering, så att vi enkelt kan skapa stora volymer av kristaller, " sa Theodore Hueckel, postdoktor vid NYU och studiens första författare.

Förutom att skapa saltliknande kolloidala material, forskarna använde självmontering för att skapa kolloidala material som efterliknar ädelstenar - i synnerhet, opaler. Opaler är iriserande och färgglada, ett resultat av deras inre kristallina mikrostruktur och dess interaktion med ljus. I labbet, forskarna skapade sina provrörsädelstenar med mycket liknande inre mikrostrukturer som opaler.

"Om du tar en mycket förstorad bild av en opal, du kommer att se samma små sfäriska byggstenar uppradade på ett vanligt sätt, " tillade Hueckel.

Att använda elektrostatisk laddning för självmontering gör det möjligt för forskare att både efterlikna material som finns i naturen men har också fördelar utöver vad som förekommer naturligt. Till exempel, de kan justera storlek och form på de positivt och negativt laddade partiklarna, vilket möjliggör ett brett utbud av olika kristallina strukturer.

"Vi är inspirerade av naturens jonkristaller, men vi tror att vi kommer att gå bortom deras strukturella komplexitet genom att använda alla designelement som är unikt tillgängliga för kolloidala byggstenar, sa Hueckel.