En ny samarbetsstudie som leds av ett forskargrupp vid Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory, University of California, Los Angeles och University of Washington kan ge ingenjörer nya designregler för att skapa mikroelektronik, membran och vävnader, och öppna upp bättre produktionsmetoder för nya material. På samma gång, forskningen, publicerad online den 6 december i tidningen Vetenskap , hjälper till att upprätthålla en vetenskaplig teori som har förblivit obevisad i över ett sekel.

Precis som barn följer en regel för att rada upp en fil efter paus, vissa material använder en underliggande regel för att montera på ytor en rad i taget, enligt studien.

Nucleation - det första bildningssteget - är genomgripande i ordnade strukturer över natur och teknik, från molndroppar till rockgodis. Trots vissa förutsägelser som gjordes på 1870 -talet av den amerikanska forskaren J. Willard Gibbs, forskare diskuterar fortfarande hur denna grundläggande process sker.

Den nya studien verifierar Gibbs teori för material som bildar rad för rad. Leds av UW -doktoranden Jiajun Chen, jobbar på PNNL, forskningen avslöjar den bakomliggande mekanismen, som fyller i en grundläggande kunskapslucka och öppnar nya vägar inom materialvetenskap.

Chen använde små proteinfragment som kallas peptider som visar specificitet, eller unik tillhörighet, till en materialyta. UCLA-medarbetarna har identifierat och använt sådana materialspecifika peptider som kontrollmedel för att tvinga nanomaterial att växa till vissa former, såsom de som önskas vid katalytiska reaktioner eller halvledaranordningar. Forskargruppen gjorde upptäckten medan de undersökte hur en viss peptid - en med en stark bindningsaffinitet för molybdendisulfid - interagerar med materialet.

"Det var fullständigt serendipitet, "sade PNNL -materialforskaren James De Yoreo, med-motsvarande författare till tidningen och Chens doktorandrådgivare. "Vi förväntade oss inte att peptiderna skulle samlas i sina egna högordnade strukturer."

Det kan ha hänt eftersom "denna peptid identifierades från en molekylär utvecklingsprocess, "tillägger motsvarande författare Yu Huang, professor i materialvetenskap och teknik vid UCLA. "Det verkar som om naturen hittar sitt sätt att minimera energiförbrukningen och göra underverk."

Omvandlingen av flytande vatten till fast is kräver skapandet av ett fast-vätske-gränssnitt. Enligt Gibbs klassiska kärnteknik, även om vattnet till is sparar energi, att skapa gränssnittet kostar energi. Den knepiga delen är den första starten - det är då ytarean på den nya ispartikeln är stor jämfört med dess volym, så det kostar mer energi att göra en ispartikel än vad som sparas.

Gibbs teori förutsäger att om materialen kan växa i en dimension, betyder rad för rad, inget sådant energistraff skulle finnas. Då kan materialen undvika vad forskare kallar kärnbildningsbarriären och är fria att självmontera.

Det har nyligen varit kontrovers om teorin om kärnbildning. Vissa forskare har funnit bevis på att den grundläggande processen faktiskt är mer komplex än den som föreslås i Gibbs modell.

Men "denna studie visar att det säkert finns fall där Gibbs teori fungerar bra, "sa De Yoreo, som också är UW -ansluten professor i både kemi och materialvetenskap och teknik.

Tidigare studier hade redan visat att vissa organiska molekyler, inklusive peptider som de i Science -papper, kan monteras själv på ytor. Men på PNNL, De Yoreo och hans team grävde djupare och hittade ett sätt att förstå hur molekylära interaktioner med material påverkar deras kärnbildning och tillväxt.

De exponerade peptidlösningen för färska ytor på ett molybden -disulfidsubstrat, mäta interaktionerna med atomkraftsmikroskopi. Sedan jämförde de mätningarna med molekylära dynamiksimuleringar.

De Yoreo och hans team bestämde att även i de tidigaste stadierna peptiderna bundna till materialet en rad i taget, barriärfritt, precis som Gibbs teori förutspår.

Atomkraftsmikroskopins höga bildhastighet tillät forskarna att se raderna precis när de bildades. Resultaten visade att raderna beställdes redan från början och växte med samma hastighet oavsett storlek - ett viktigt bevis. De bildade också nya rader så snart tillräckligt med peptid fanns i lösningen för att befintliga rader skulle växa; det skulle bara hända om radbildningen är barriärfri.

Denna rad-för-rad-process ger ledtrådar för design av 2-D-material. För närvarande, att forma vissa former, designers behöver ibland sätta system långt ur jämvikt, eller balans. Det är svårt att kontrollera, sa De Yoreo.

"Men i 1-D, svårigheten att få saker att forma i en ordnad struktur försvinner, "Tillade De Yoreo." Då kan du arbeta nära jämvikt och fortfarande växa dessa strukturer utan att förlora kontrollen över systemet. "

Det kan ändra monteringsvägar för de tekniska mikroelektroniken eller till och med kroppsvävnader.

Huangs team vid UCLA har visat nya möjligheter för enheter baserade på 2-D-material monterade genom interaktioner i lösningen. Men hon sa att de nuvarande manuella processerna som används för att konstruera sådant material har begränsningar, inklusive uppskalningsfunktioner.

"Nu med den nya förståelsen, vi kan börja utnyttja de specifika interaktionerna mellan molekyler och 2-D-material för automatiska monteringsprocesser, sa Huang.

Nästa steg, sa De Yoreo, är att göra konstgjorda molekyler som har samma egenskaper som de peptider som studerats i det nya papperet - bara mer robusta.

På PNNL, De Yoreo och hans team tittar på stabila peptoider, som är lika lätta att syntetisera som peptider men bättre kan hantera temperaturer och kemikalier som används i processerna för att konstruera de önskade materialen.