Forskare har skapat nya typer av partiklar, 1/100-del av diametern på ett människohår, som spontant samlar sig i strukturer som liknar molekyler gjorda av atomer. Dessa nya partiklar kommer samman, eller "självmontera, " att forma strukturer i mönster som tidigare var omöjliga att göra och hålla löfte för tillverkning av avancerade optiska material och keramik.

Metoden, beskrivs i det senaste numret av tidskriften Natur , utvecklades av ett team av kemister, kemiingenjörer, och fysiker vid New York University (NYU), Harvard School of Engineering &Applied Sciences, Harvard Department of Physics, och Dow Chemical Company.

Metoden är inriktad på att förbättra arkitekturen hos kolloider - små partiklar suspenderade i ett flytande medium. Kolloidala dispersioner är sammansatta av vardagliga föremål som färg, mjölk, gelatin, glas, och porslin, men deras potential att skapa nya material förblir i stort sett outnyttjad.

Tidigare, forskare hade lyckats bygga rudimentära strukturer från kolloider. Men förmågan att använda kolloider för att designa och montera komplexa 3-dimensionella strukturer, som är avgörande för utformningen av avancerade optiska material, har begränsats. Detta är, till viss del, eftersom kolloider saknar riktningsbindningar, som är nödvändiga för att kontrollera partikelns självmontering samt för att öka komplexiteten samtidigt som den strukturella integriteten hos dessa skapelser bibehålls. Sådana sammansättningar fungerar som byggstenarna i den naturliga världen – t.ex. atomer och molekyler – men de är sällsynta i den kolloidala domänen.

"Vad den här metoden syftade till var att använda naturens egenskaper för atomer och tillämpa dem på den kolloidala världen, "förklarade NYU kemiprofessor Marcus Weck, en av studiens medförfattare.

"Kemister har ett helt periodiskt system med atomer att välja mellan när de syntetiserar molekyler och kristaller, " lade medförfattaren Vinothan Manoharan till, Docent i kemiteknik och fysik vid Harvard. "Vi ville utveckla ett liknande "konstruktionsset" för att göra molekyler och kristaller i större skala."

Vid utveckling av kolloider med sådana egenskaper, forskarna konstruerade kemiska "plåster" som kan bilda riktningsbindningar, vilket möjliggör montering av 3-dimensionella "gitter" med endast ett fåtal anslutningar mellan partiklar, ett viktigt designelement för många avancerade material. Utan riktningsbindning, sådana strukturer är instabila.

Tricket var att etablera bindningsförmåga på plåstren. Forskarna gjorde det genom att använda enkla DNA-strängar, som forskare vid NYU och på andra håll tidigare har använt för att organisera små partiklar. I metoden som beskrivs i Nature, dessa DNA-strängar tjänade som "klibbiga ändar" till vilka partikelfläckar kunde fästa.

"Vad detta betyder är att vi kan göra partiklar som bara fäster vid fläckarna, och sedan kan vi programmera dem så att bara specifika typer av partiklar fäster vid dessa fläckar, "sa medförfattare och NYU fysikprofessor David Pine." Detta ger oss en enorm flexibilitet att utforma tredimensionella strukturer. "

Forskarna tillade att specificiteten hos DNA-interaktioner mellan fläckar innebär att kolloider med olika egenskaper, som storlek, Färg, kemisk funktionalitet, eller elektrisk ledningsförmåga, kan leda till produktion av nytt material. Dessa inkluderar potentiellt 3-dimensionella elektriskt trådbundna nätverk eller fotoniska kristaller för att förbättra de optiska displayerna för en rad konsumentprodukter och för att förbättra hastigheten på datorchips.