Att bygga i nanoskala är inte som att bygga ett hus. Forskare börjar ofta med tvådimensionella molekylära lager och kombinerar dem för att bilda komplexa tredimensionella arkitekturer. Och istället för spikar och skruvar, dessa strukturer är sammanfogade av de attraktiva van der Waals-krafterna som finns mellan objekt på nanoskala.

Van der Waals krafter är avgörande för att konstruera material för energilagring, biokemiska sensorer och elektronik, även om de är svaga jämfört med kemiska bindningar. De spelar också en avgörande roll i läkemedelsleveranssystem, bestämma vilka läkemedel som binder till de aktiva platserna i proteiner.

I ny forskning som kan hjälpa till att informera utvecklingen av nya material, Cornell-kemister har funnit att det tomma utrymmet ("porerna") som finns i tvådimensionella molekylära byggstenar i grunden förändrar styrkan hos dessa van der Waals-krafter, och kan potentiellt förändra sammansättningen av sofistikerade nanostrukturer.

Fynden representerar en outforskad väg mot att styra självmontering av komplexa nanostrukturer från porösa tvådimensionella byggstenar. "Vi hoppas att en mer fullständig förståelse av dessa krafter kommer att hjälpa till vid upptäckten och utvecklingen av nya material med olika funktioner, riktade fastigheter, och potentiellt nya applikationer, " sa Robert A. DiStasio Jr., biträdande professor i kemi vid College of Arts and Sciences.

I en artikel med titeln "Inflytande av porstorlek på van der Waals interaktion i tvådimensionella molekyler och material, " publicerad 14 januari in Fysiska granskningsbrev , DiStasio, Doktorand Yan Yang och postdoktor Ka Un Lao beskriver en serie matematiska modeller som tar upp frågan om hur tomrum i grunden påverkar de attraherande fysiska krafter som uppstår över nanoskala avstånd.

I tre prototypiska modellsystem, forskarna fann att särskilda porstorlekar leder till oväntat beteende i de fysiska lagar som styr van der Waals krafter. Ytterligare, de skriver, detta beteende "kan justeras genom att variera den relativa storleken och formen på dessa tomma utrymmen ... [ge] ny insikt i självmontering och design av komplexa nanostrukturer."

Medan starka kovalenta bindningar är ansvariga för bildandet av tvådimensionella molekylära lager, van der Waals interaktioner ger den huvudsakliga attraktionskraften mellan lagren. Som sådan, van der Waals styrkor är till stor del ansvariga för självmontering av de komplexa tredimensionella nanostrukturer som utgör många av de avancerade materialen som används idag.

Forskarna visade sina resultat med många tvådimensionella system, inklusive kovalenta organiska ramverk, som är utrustade med justerbara och potentiellt mycket stora porer.

"Jag är förvånad över att det komplicerade förhållandet mellan tomrum och van der Waals krafter kunde rationaliseras genom så enkla modeller, " sa Yang. "I samma andetag, Jag är verkligen exalterad över våra fynd, eftersom även små förändringar i van der Waals krafter markant kan påverka egenskaperna hos molekyler och material."