Följ alltid kompassen:Mikroorganismer som orienterar sig mot jordens magnetfält har cirka 20 magnetosomer som ligger i linje med små nålar. De innehåller magnetiska nanopartiklar av järnoxid i ett protein- och lipidskal som är karakteristiskt bildat för varje art. Kredit:MPI av kolloider och gränssnitt
Nanopartiklar är mångsidiga förebud om hopp:De kan fungera som aktiva medicinska medel eller kontrastmedel lika väl som elektroniska lagringsmedier eller förstärkning av strukturella material.
Forskare från Max Planck Institute of Colloids and Interfaces i Potsdam-Golm och från Eindoven University of Technology i Nederländerna gjorde ett grundläggande bidrag för att göra sådana nanopartiklar användbara för dessa olika tillämpningar. När man studerar magnetitnanopartiklar, de utvecklade en modell för hur kristallina partiklar av ett material bildas beroende på deras fysikaliska egenskaper. Magnetitnanopartiklar används av vissa bakterier för att orientera sig längs jordens magnetfältlinjer. Att förstå hur de växer kan vara till hjälp för att generera nanopartiklar med de önskade egenskaperna.
I många avseenden, materialdesign påminner om att uppfostra barn:många egenskaper är förutbestämda från naturen, andra förvärvas under utbildning eller lärande – men den viktiga aspekten inträffar redan i början. Ett team som leds av Damien Faivre, Ledare för en forskargrupp vid Max Planck Institute of Colloids and Interfaces, har tittat in i barnkammaren för magnetitnanopartiklar.
Magnetitpartiklar som ordnar sig till fina nålar fungerar som en kompass för vissa marina bakterier när de orienterar sig längs jordens magnetfält i sitt sökande efter de bästa livsvillkoren. Dock, syntetiska magnetitpartiklar används också i bläck, magnetiska vätskor, och medicinska kontrastmedel, men också som minneselement i datalagringsmedia. Med hjälp av deras observationer av magnetitnanopartiklar, forskarna i Potsdam har utökat den etablerade teorin om hur kristaller av ett material bildas från lösning.
Den klassiska modellen kan inte förklara bildandet av många kristaller
I en övermättad lösning, flera atomer och molekyler agglomererar spontant, dvs mer eller mindre slumpmässigt, till ett frö som sedan växer ytterligare. Enligt den klassiska representationen av kristalltillväxt, fröet fångar atomer eller molekyler från lösningen. Vid det tillfället, antingen kan en perfekt ordnad kristall bildas direkt eller en amorf, och därmed oordnad, konglomerationsformer först, som sedan omarrangerar sig till en kristall.
När magnetitnanopartiklar bildas från en lösning av järnsalter, primära partiklar, högst två nanometer, agglomererar sig till en kärna (pil; den vita skalstången representerar tio nanometer). Max Planck-forskare har utvecklat en modell för denna icke-klassiska kristallväxtväg. Denna modell hjälper till att förklara hur en kristallin struktur bildas direkt från en primär partikel, och när en oordnad struktur först utvecklas som sedan förvandlas till en kristall. Kredit:Nature Materials
Vilken av de två vägarna kristallen utvecklas i, beror på vilken som uppvisar den lägre energinivån – den kristallina fasen eller den oordnade. De avgörande egenskaperna här är ytenergierna för de kristallina och oordnade varianterna, samt de mängder energi som frigörs när atomer eller molekyler binder till den ena eller andra formen. En hög ytenergi driver energiförbrukningen för den givna fasens tillväxt mycket högre, medan ett stort energiutbyte från de framväxande bindningarna sänker det.
"Under åren har det blivit allt fler indikationer på att många mineraler inte växer enligt denna modell", säger Damien Faivre. "De tar tydligen upp varken enstaka atomer eller molekyler under deras bildning, men istället fångar upp primära partiklar eller kluster upp till några nanometer stora som bara bildas tillfälligt." Det är mer eller mindre vad som händer när det bildas kristaller av kalciumkarbonat och kalciumfosfat som härdar ben eller blötdjursskal. Faivre och hans team har nu etablerat att magnetitnanopartiklar också växer genom att absorbera små primära partiklar endast två nanometer stora.Forskarna observerade detta med ett transmissionselektronmikroskop som opererades vid en temperatur långt under noll som alltså avbildar särskilt små strukturer.
Primärpartiklarnas stabilitet blir den avgörande faktorn
"Med den klassiska modellen, det är omöjligt att avgöra om större nanokristaller bildas direkt från de små nanopartiklarna eller om en oordnad fas bildas först", säger Damien Faivre. Dock, om du vill odla nanopartiklar, du måste kunna svara på denna fråga. Så han och hans kollegor utvecklade en ny modell (som tar hänsyn till de primära partiklarna).
I den nya modellen, nanopartiklarnas stabilitet blir en viktig faktor - så viktig att den till och med kan vända den klassiska modellens förutsägelse. "Ju stabilare de primära partiklarna är, desto mer sannolikt bildas en kristallin struktur direkt", förklarar Faivre. "I många fall, när en oordnad fas skulle bildas enligt den klassiska modellen, vår modell resulterar i att en kristall bildas direkt." Detta är precis fallet med magnetit.
Att undersöka de primära partiklarna är nästa steg
Om kristaller växer enligt den klassiska modellen eller den som föreslås av Damien Faivres team beror på om atomer och molekyler eller de små primära partiklarna är inblandade. "Antingen vet du detta genom observationer, som i vårt fall, eller så förutser man det med hjälp av materialets fysiska egenskaper", förklarar Faivre.
Dock, forskarna har fortfarande många olösta frågor att besvara för att gå från dessa insikter om nanopartikelbarnkammaren till en bruksanvisning för att styra deras tillväxt. "I nästa steg, vi kommer att undersöka primärpartiklarna och deras egenskaper mer exakt", säger Damien Faivre. Om forskarna kan kontrollera stabiliteten hos de partiklar som assimileras av en växande nanopartikel, de kan också ha ett sätt att påverka nanopartikelns egenskaper. Detta är knappast annorlunda än med unga, växande barn:vad de blir beror på hur de får mat.
