Nanokuber är allt annat än barnspel. Forskare från Weizmann-institutet har använt dem för att skapa överraskande garnliknande trådar:De visade att med rätt förutsättningar, kubformade nanopartiklar kan anpassas till lindade spiralformade strukturer. Deras resultat, som avslöjar hur nanomaterial kan självmonteras till oväntat vackra och komplexa strukturer, publicerades nyligen i Vetenskap .

Dr Rafal Klajn och postdoktor Dr. Gurvinder Singh vid institutets organiska kemiavdelning använde nanokuber av ett järnoxidmaterial som kallas magnetit. Som namnet antyder, detta material är naturligt magnetiskt:Det finns överallt, inklusive inre bakterier som använder den för att känna av jordens magnetfält.

Magnetism är bara en av de krafter som verkar på nanopartiklarna. Tillsammans med forskargruppen för professor Petr Král vid University of Illinois, Chicago, Klajn och Singh utvecklade teoretiska modeller för att förstå hur de olika krafterna kunde skjuta och dra de små bitarna av magnetit i olika formationer. "Olika typer av krafter tvingar nanopartiklarna att anpassa sig på olika sätt, "säger Klajn." Dessa kan tävla med varandra; så tanken är att hitta balansen mellan konkurrerande krafter som kan framkalla självmontering av partiklarna till nya material. "Modellerna föreslog att formen på nanopartiklarna är viktig-endast kuber skulle ge en korrekt balans av krafter som krävs för att dra tillsammans till spiralformade formationer.

Forskarna fann att de två främsta konkurrerande krafterna är magnetism och van der Waals -kraft. Magnetism gör att de magnetiska partiklarna både lockar och stöter bort varandra, vilket fick kubikpartiklarna att rikta sig i sina hörn. Van der Waals styrkor, å andra sidan, dra sidorna på kuberna närmare varandra, locka dem att ställa upp i rad. När dessa krafter verkar tillsammans på de små kuberna, resultatet är den stegliknande inriktningen som ger spiralformade strukturer.

I deras experiment, forskarna avslöjade relativt höga koncentrationer av magnetit -nanokuber placerade i en lösning till ett magnetfält. Den långa, repliknande spiralformade kedjor som de erhöll efter att lösningen avdunstat var överraskande enhetliga. De upprepade experimentet med nanopartiklar av andra former men, som förutsagt, bara kuber hade precis rätt fysisk form för att justera i en helix. Klajn och Singh fann också att de kunde få kirala strängar - alla lindade i samma riktning - med mycket höga partikelkoncentrationer där ett antal strängar samlades nära varandra. Tydligen kan de konkurrerande krafterna "ta hänsyn" till det mest effektiva sättet att packa in trådarna i rymden.

Även om nanokubsträngarna ser tillräckligt bra ut för att sticka, Klajn säger att det är för tidigt att börja tänka på kommersiella applikationer. Verkets omedelbara värde, han säger, är att det har visat sig vara en grundläggande princip för självmontering i nanoskala. "Även om magnetit har studerats väl-även dess nanopartikelform-i många decennier, ingen har observerat dessa strukturer tidigare, "säger Klajn." Först när vi förstår hur de olika fysiska krafterna verkar på nanopartiklar kan vi börja tillämpa insikten på sådana mål som tillverkning av tidigare okända, självmonterade material. "