Att justera materialstrukturen på nanoskalanivå kan vara riktigt svårt att uppnå – men tänk om vi hade små partiklar, som sätter ihop helt själva, skapa den nödvändiga strukturen? Vid Wiens tekniska universitet (TU Wien), fenomenet självmontering undersöks genom att studera inhomogent laddade partiklar. Beroende på olika parametrar, de kan bilda gelliknande eller kristallliknande strukturer. Denna typ av självmontering lovar mycket för nanoteknik.

Mikropartiklar med speciellt strukturerade ytor

Emanuela Bianchi är vetenskapsman i professor Gerhard Kahls forskargrupp vid Institutet för teoretisk fysik vid Wiens tekniska universitet. I hennes datorsimuleringar, hon reproducerar beteendet hos partiklar som inte är större än några mikrometer – jämförbart med virus eller små bakterier. Hon är särskilt intresserad av nanopartiklar med en komplicerad yta, som består av olika typer av lappar som kännetecknas av olika fysikaliska egenskaper.

Nyligen arbete (finansierat via ett Elise Richter Fellowhip av FWF) har fokuserat på partiklar med inhomogent laddade ytområden:Majoriteten av partikeln bär negativ elektrisk laddning, men de polära områdena på toppen och botten av partikeln är positivt laddade. "På grund av det faktum att lika laddningar stöter bort medan motsatta laddningar attraherar varandra, säger Emanuela Bianchi, "våra partiklar tenderar att rikta in sig på ett sådant sätt att en partikels pol pekar mot den andras ekvator." Men när många av dessa partiklar interagerar, saker och ting blir mer komplicerade.

Datorsimuleringar har nu kunnat visa hur dessa partiklar beter sig när de är fångade mellan två plan så att de måste passa in i kvasi tvådimensionella strukturer. Resultaten visade att det finns olika möjliga konfigurationer:Ibland är partiklarna tätt packade i en enkel hexagonal struktur, vilket är välkänt från kristaller. Ibland, mindre ordnade gelliknande strukturer uppstår, med sammankopplade ringar av fem eller sex partiklar.

"Med vår modell, vi kan ta reda på vilka parametrar som bestämmer den framväxande strukturen, " säger Emanuela Bianchi. Storleken på de positivt laddade polära fläckarna spelar en särskilt viktig roll. Sfärer där gränsen mellan negativ och positiv laddning är på 45 graders latitud skapar mycket mer ordnade strukturer än partiklar där denna gräns är närmare polen , vid 60 grader. Resultatet kan också påverkas genom att justera den elektriska laddningen av golvplattan som partiklarna vilar på – en parameter som är mycket lätt att kontrollera i ett experiment. En sådan parameter styr storleken på aggregaten och kan till och med vara ansvarig för ett fullständigt undertryckande av partikelaggregationen.

Material med Taylor Made Properties

Att förstå mikropartiklarnas självmontering öppnar dörren till att designa partiklar som automatiskt bildar skräddarsydda strukturer. Beroende på den mikroskopiska inriktningen av partiklarna, de skapar yttyper med olika densiteter och olika svar på yttre stimuli (t.ex. elcetromagnetiska fält). Detta innebär att självmonterade strukturer till exempel kan användas för att skapa filter med avstämbar porositet. "Särskilt för biomedicinska tillämpningar, detta kan ha många möjliga tillämpningar, säger Emanuela Bianchi.