Material tillverkade av nanopartiklar håller löften för otaliga applikationer, från förbättrad solenergiproduktion till perfekta pekskärmar. Utmaningen med att skapa dessa underbara material är att organisera nanopartiklarna i ordnade arrangemang.

Nanopartiklar av magnetit, det vanligaste magnetiska materialet på jorden, finns i levande organismer från bakterier till fåglar. Nanokristaller av magnetit självmonteras till fina kompassnålar i organismen som hjälper den att navigera.

Samarbetar med nanokemister under ledning av Rafal Klajn vid Weizmann Institute of Science i Israel, som fann att magnetit-nanokuber kan självmonteras till spiralformiga överbyggnader under vissa förhållanden, University of Illinois i Chicago teoretiska kemisten Petr Kral och hans studenter simulerade fenomenet och förklarade under vilka förhållanden det kan ske. Den gemensamma studien är online i Science Express före tryckning i 5 september -numret av Vetenskap .

Weizmann -forskarna löste upp nanokristallerna och exponerade lösningen för ett yttre magnetfält. När lösningen avdunstade, spiralformade kedjor av nanopartiklar bildade. Förvånande, spiralspiralen var kirala - det vill säga antingen vänster- eller högerhänt- trots att nanopartiklarna själva inte är kirala. Tätt packade sammansättningar av spiraler tenderade att ta samma hand.

Krals UIC-team modellerade självmonteringen för att avgöra hur spiraler bildades i deras kollaboratörers experiment-och varför spiralerna hade kiralitet.

De fann att självmonteringen till kirala spiraler är resultatet av de konkurrerande krafterna som verkar på dem-Zeeman-kraft från det yttre magnetfältet, dipol-dipol magnetisk kraft, magneto-anisotropisk riktningskraft, svagt attraktiva van der Waals styrkor, och andra. Nanopartikelligandernas kemi, lösningsmedlet, och temperatur kan också spela en roll.

I närvaro av ett externt magnetfält, de superparamagnetiska nanokuberna - som är slumpmässigt magnetiska och kan vända med temperaturförändringar - blev små magneter med olika symmetrier hos de konkurrerande krafterna som verkar mellan dem. Som ett resultat, när två kuber är ansikte mot ansikte, de tenderar att luta i förhållande till varandra, bildar en liten vinkel till höger eller vänster - fröet till en kiral helix, eftersom fler nanokuber ställer upp med de två första.

Krals analys använde en Monte Carlo -datoralgoritm, som bygger på upprepad stickprov, kör simuleringar många gånger om.

"Vi var tvungna att skriva en ny, effektiv Monte Carlo -datorkod som beskriver alla nödvändiga termer, alla värden, och förklara sedan hur det mycket ovanliga beteende som Klajn observerade-spiralernas självmontering-händer, "Sa Kral.