Forskare har tillverkat nanopartiklar i mer än två decennier i tvådimensionella ark, tredimensionella kristaller och slumpmässiga kluster. Men de har aldrig lyckats få ett ark av nanopartiklar att kröka eller vikas till en komplex tredimensionell struktur. Nu forskare från University of Chicago, University of Missouri och U.S. Department of Energys Argonne National Laboratory har hittat ett enkelt sätt att göra just det.

Fynden öppnar vägen för forskare att designa membran med inställbara elektriska, magnetiska och mekaniska egenskaper som skulle kunna användas inom elektronik och till och med kan ha implikationer för att förstå biologiska system.

Arbetar på Center for Nanoscale Materials (CNM) och Advanced Photon Source (APS), två DOE Office of Science användarfaciliteter belägna i Argonne, teamet fick membran av guld nanopartiklar belagda med organiska molekyler för att krulla ihop sig till rör när de träffades med en elektronstråle. Lika viktigt, de har upptäckt hur och varför det händer.

Forskarna belägger guldnanopartiklar med några tusen atomer vardera med en oljeliknande organisk molekyl som håller ihop guldpartiklarna. När de flyter på vatten bildar partiklarna ett ark; när vattnet avdunstar, det lämnar arket hängande över ett hål. "Det är nästan som ett trumskinn, " säger Xiao-Min Lin, stabsforskaren vid Center for Nanoscale Materials som ledde projektet. "Men det är ett mycket tunt membran gjord av ett enda lager av nanopartiklar."

Till deras förvåning, när forskarna placerade membranet i strålen av ett svepelektronmikroskop, den vek sig. Den vek sig varje gång, och alltid åt samma håll.

"Det väckte vår nyfikenhet, sa Lin. "Varför böjer den sig åt ena hållet?"

Svaret låg i de organiska ytmolekylerna. De är hydrofoba:när de flyter på vatten försöker de undvika kontakt med det, så det slutar med att de fördelar sig själva på ett ojämnt sätt över de övre och nedre lagren av nanopartikelarket. När elektronstrålen träffar molekylerna på ytan får de att bilda en ytterligare bindning med sina grannar, skapar en asymmetrisk spänning som gör att membranen viker sig.

Zhang Jiang och Jin Wang, Röntgenpersonal på APS, kom på ett genialt sätt att mäta molekylär asymmetri, som på bara sex ångström, eller ungefär sex atomer tjocka, är så liten att det normalt inte skulle vara mätbart.

Subramanian Sankaranarayanan och Sanket Deshmukh vid CNM använde de högpresterande datorresurserna vid DOE:s National Energy Research Scientific Computing Center och Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), både DOE Office of Science användarfaciliteter, att analysera nanopartiklarnas yta. De upptäckte att mängden yta som täcks av de organiska molekylerna och molekylernas rörlighet på ytan båda har en viktig inverkan på graden av asymmetri i membranet.

"Det här är fascinerande resultat, sa Fernando Bresme, professor i kemisk fysik vid Imperial College i London och en ledande teoretiker inom mjuk materiens fysik. "De förbättrar avsevärt vår förmåga att skapa nya nanostrukturer med kontrollerade former."

I princip, forskare skulle kunna använda denna metod för att framkalla veckning i vilket nanopartikelmembran som helst som har en asymmetrisk fördelning av ytmolekyler. Sa Lin, "Du använder en typ av molekyl som hatar vatten och litar på att vattenytorna driver molekylerna att distribuera ojämnt, eller så kan du använda två olika typer av molekyler. Nyckeln är att molekylerna måste fördela sig ojämnt."

Nästa steg för Lin och hans kollegor är att utforska hur de kan kontrollera molekylfördelningen på ytan och därför vikningsbeteendet. De föreställer sig att bara zappa en liten del av strukturen med elektronstrålen, designa spänningarna för att uppnå speciella böjningsmönster.

"Du kan kanske vika dessa saker till origamistrukturer och alla möjliga intressanta geometrier, " sa Lin. "Det öppnar möjligheterna."