Atomer har ett positivt laddat centrum omgivet av ett moln av negativt laddade partiklar. Denna typ av arrangemang, det visar sig, kan också förekomma på en mer makroskopisk nivå, ger ny inblick i hur material bildas och interagerar.

I en ny studie från US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, forskare har undersökt den inre strukturen hos ett material som kallas en kolloidal kristall, som består av en mycket ordnad uppsättning större och mindre partiklar varvat i regelbundna arrangemang. En större kunskap om hur kolloidala kristaller är uppbyggda och beter sig kan hjälpa forskare att avgöra vilka applikationer de är bäst lämpade för, som fotonik.

I banbrytande forskning som beskrivs i ett nyligen utgåva av Vetenskap , forskare bundna mindre partiklar till större med hjälp av DNA, så att de kan bestämma hur de mindre partiklarna fylls i regionerna som omger de större. Vid användning av partiklar så små som 1,4 nanometer - extremt små för kolloidala partiklar - observerade forskare en spännande effekt:De små partiklarna vandrade runt regelbundet och beställde större partiklar istället för att förbli låsta på ett ordnat sätt.

På grund av detta beteende, de kolloidala kristallerna kan utformas för att leda till en mängd nya tekniker inom optik, katalys, och läkemedelsleverans. De små partiklarna har potential att fungera som budbärare, bär andra molekyler, elektrisk ström eller information från ena änden av en kristall till en annan.

"De mindre partiklarna fungerar i huvudsak som ett lim som håller ihop det större partikelarrangemanget, "sade Argonne röntgenfysiker och studieförfattare Byeongdu Lee." Med bara några limpärlor, den bästa positionen att placera dem är på hörnen mellan de större partiklarna. Om du lägger till fler limpärlor, de skulle rinna över till kanterna. "

De små partiklarna som sitter på hörnen tenderar att stanna stilla - en konfiguration som Lee kallade lokalisering. De extra partiklarna som finns på kanterna har större rörelsefrihet, blir delokaliserad. Genom att vara bunden till större partiklar och med förmågan att vara både lokaliserad och delokaliserad, de små partiklarna fungerar som "elektronekvivalenter" i kristallstrukturen. Delokalisering av små partiklar, som författarna kallade metallicitet, hade inte observerats hittills i kolloidala partikelaggregat.

Dessutom, eftersom de små partiklarna delokaliseras delvis, effekten skapar ett material som utmanar de flesta traditionella definitionerna av en kristall, enligt Lee.

"I vanliga fall, när du ändrar sammansättningen av en kristall, strukturen förändras också, "sa han." Här, du kan ha ett material som kan behålla sin övergripande struktur med olika proportioner av dess komponenter. "

För att avbilda strukturen hos de kolloidala kristallerna, Lee och hans kollegor använde röntgenstrålarna med hög ljusstyrka från Argonnes Advanced Photon Source (APS), en DOE Office of Science User Facility. APS erbjöd en viktig fördel genom att det gjorde det möjligt för forskarna att observera kristallens struktur direkt i lösning. "Detta system är bara stabilt i lösning, när det torkar, strukturen deformeras, "Sa Lee.