När University of Pennsylvania nanovetenskapare skapade vackra, kaklade mönster med platta nanokristaller, de lämnades med ett mysterium:varför ordnade vissa kristalluppsättningar sig i ett omväxlande, fiskbensstil, även om det inte var det enklaste mönstret? Att få reda på, de vände sig till experter på datasimulering vid University of Michigan och Massachusetts Institute of Technology.

Resultatet ger nanoteknikforskare ett nytt verktyg för att kontrollera hur föremål som är en miljondel av storleken på ett sandkorn ordnar sig till användbara material, det ger ett sätt att upptäcka reglerna för att "programmera" dem till önskade konfigurationer.

Studien leddes av Christopher Murray, en professor med utnämningar vid Institutionen för kemi vid Institutionen för konst och vetenskap och Institutionen för materialvetenskap och teknik vid Tekniska högskolan. På Penn -laget fanns också Cherie Kagan, en kemi, MSE och professor i el- och systemteknik, och postdoktorer Xingchen Ye, Jun Chen och Guozhong Xing.

De samarbetade med Sharon Glotzer, en professor i kemiteknik vid Michigan, och Ju Li, professor i kärnvetenskap och teknik vid MIT.

Deras forskning fanns på omslaget till tidningen Naturkemi .

"Spänningen i detta ligger inte i fiskbensmönstret, "Sa Murray, "Det handlar om kopplingen av experiment och modellering och hur det tillvägagångssättet låter oss ta oss an ett mycket svårt problem."

Tidigare arbete i Murrays grupp har varit inriktat på att skapa nanokristaller och ordna dem i större kristallöverbyggnader. I sista hand, forskare vill modifiera fläckar på nanopartiklar på olika sätt för att få dem till mer komplexa mönster. Målet är att utveckla "programmeringsfrågor, " det är, en metod för att designa nya material baserat på de egenskaper som behövs för ett visst jobb.

"Genom att konstruera interaktioner på nanoskala, Glotzer sa, "vi kan börja sätta ihop målstrukturer med stor komplexitet och funktionalitet på makroskala."

Glotzer introducerade begreppet nanopartiklar "fläckar" 2004. Hennes grupp använder datasimuleringar för att förstå och designa patchar.

Nyligen, Murrays team gjorde mönster med platta nanokristaller av tungmetaller, känd för kemister som lantanider, och fluoratomer. Lanthanider har värdefulla egenskaper för solenergi och medicinsk bildbehandling, till exempel förmågan att konvertera mellan hög- och lågenergiljus.

De började med att bryta ner kemikalier som innehåller atomer av en lantanidmetall och fluor i en lösning, och lantanid och fluor började naturligt bilda kristaller. I blandningen fanns också kedjor av kol och väte som fastnade på sidorna av kristallerna, stoppa deras tillväxt i storlekar runt 100 nanometer, eller 100 miljondelar av en millimeter, vid de största dimensionerna. Genom att använda lantanider med olika atomradier, de kunde styra de sexkantiga kristallernas övre och nedre ytor att vara var som helst från mycket längre än de andra fyra sidorna till obefintliga, resulterar i en diamantform.

För att bilda kaklade mönster, laget renade nanokristallerna och blandade dem med ett lösningsmedel. De sprider denna blandning i ett tunt lager över en tjock vätska, som stödde kristallerna samtidigt som de lät dem röra sig. När lösningsmedlet avdunstade, the crystals had less space available, and they began to pack together.

The diamond shapes and the very long hexagons lined up as expected, the diamonds forming an argyle-style grid and the hexagons matching up their longest edges like a foreshortened honeycomb. The hexagons whose sides were all nearly the same length should have formed a similar squashed honeycomb pattern, but, istället, they lined up in an alternating herringbone style.

"Whenever we see something that isn't taking the simplest pattern possible, we have to ask why, " Murray said.

They posed the question to Glotzer's team.

"They've been world leaders in understanding how these shapes could work on nanometer scales, and there aren't many groups that can make the crystals we make, " Murray said. "It seemed natural to bring these strengths together."

Glotzer and her group built a computer model that could recreate the self-assembly of the same range of shapes that Murray had produced. The simulations showed that if the equilateral hexagons interacted with one another only through their shapes, most of the crystals formed the foreshortened honeycomb pattern, not the herringbone.

"That's when we said, 'Okay, there must be something else going on. It's not just a packing problem, '" Glotzer said. Her team, which included graduate student Andres Millan and research scientist Michael Engel, then began playing with interactions between the edges of the particles. They found that that if the edges that formed the points were stickier than the other two sides, the hexagons would naturally arrange in the herringbone pattern.

The teams suspected that the source of the stickiness was those carbon and hydrogen chains. Perhaps they attached to the point edges more easily, the team members thought. Since experiment doesn't yet offer a way to measure the number of hydrocarbon chains on the sides of such tiny particles, Murray asked MIT's Ju Li to calculate how the chains would attach to the edges at a quantum mechanical level.

Li's group confirmed that, because of the way that the different facets cut across the lattice of the metal and fluorine atoms, more hydrocarbon chains could stick to the four edges that led to points than the remaining two sides. As a result, the particles become patchy.

"Our study shows a way forward making very subtle changes in building block architecture and getting a very profound change in the larger self-assembled pattern, " Glotzer said. "The goal is to have knobs that you can change just a little and get a big change in structure, and this is one of the first papers that shows a way forward for how to do that."