Tillverkad av böjda guld-cystein nanoskivor som alla vrids i samma riktning, den taggiga nanopartikeln uppnådde den högsta uppmätta komplexiteten. Den absorberar UV-ljus och avger vridet ljus i den synliga delen av spektrumet. Upphovsman:Wenfeng Jiang, Kotov Lab, Michigans universitet
Syntetiska mikropartiklar som är mer invecklade än några av de mest komplicerade som finns i naturen har producerats av ett internationellt team som leds av University of Michigan. De undersökte också hur den krångligheten uppstår och utarbetade ett sätt att mäta det.
Fynden banar väg för mer stabila vätske-och-partikelblandningar, som färger, och nya sätt att vrida ljus – en förutsättning för holografiska projektorer.
Partiklarna är sammansatta av vridna spikar arrangerade till en boll på några mikron, eller miljondelar av en meter, tvärs över.
Biologi är en stor skapare av komplexitet på nano- och mikroskala, med taggiga strukturer som växtpollen, immunceller och vissa virus. Bland de mest komplexa naturliga partiklarna i skalan av de nya syntetiska partiklarna är taggiga kokolitoforer. Några mikron i diameter, denna typ av alger är kända för att bygga intrikata kalkstensskal runt sig. För att bättre förstå reglerna som styr hur partiklar som dessa växer, forskare och ingenjörer försöker göra dem i labbet. Men tills nu, det fanns inget formaliserat sätt att mäta komplexiteten i resultaten.
"Siffror styr världen, och att noggrant kunna beskriva taggiga former och sätta en siffra på komplexitet gör det möjligt för oss att använda nya verktyg som artificiell intelligens och maskininlärning vid design av nanopartiklar, sade Nicholas Kotov, Joseph B. och Florence V. Cejka professor i teknik vid U-M, som ledde projektet.
Om guld-cystein nanoskivorna är utformade för att förbli platt, resultatet är en måttligt komplex design som forskarna kallade en "kajak"-partikel. Kredit:Wenfeng Jiang, Kotov Lab, Michigans universitet
Teamet – som inkluderar forskare vid Federal University of São Carlos och University of São Paulo i Brasilien, såväl som California Institute of Technology och University of Pennsylvania – använde det nya ramverket för att visa att deras partiklar var ännu mer komplicerade än coccolithophores.
Teamets beräkningsarm, ledd av André Farias de Moura, professor i kemi vid Federal University, undersökte partiklarnas kvantegenskaper och de krafter som verkar på byggstenarna i nanoskala.
En av nyckelaktörerna för att skapa komplexitet kan vara kiralitet – i detta sammanhang, tendensen att följa en med- eller moturs vridning. De introducerade kiralitet genom att belägga guldsulfidark i nanoskala, som fungerade som deras partikelbyggstenar, med en aminosyra som heter cystein. Cystein finns i två spegelbildsformer, en driver guldplåtarna att staplas med en vridning medurs, och den andra tenderar mot en vridning moturs. När det gäller den mest komplexa partikeln, en piggkula med vridna taggar, varje guldplåt var belagd med samma form av cystein.
Teamet kontrollerade också andra interaktioner. Genom att använda platta nanopartiklar, de skapade spikar som var platta snarare än runda. De använde också elektriskt laddade molekyler för att säkerställa att komponenterna i nanoskala byggde sig själva till större partiklar, större än några hundra nanometer i diameter, på grund av avstötning.
Dessa relativt enkla partiklar uppstår när platta guld nanoskivor fäster vid varandra utan flera motstridiga begränsningar. Kredit:Wenfeng Jiang, Kotov Lab, Michigans universitet
"Dessa lagar strider ofta mot varandra, och komplexiteten uppstår eftersom dessa samhällen av nanopartiklar måste tillfredsställa dem alla, sade Kotov, professor i materialvetenskap och teknik och makromolekylär vetenskap och teknik.
Och den komplexiteten kan vara användbar. Nanoskala spikar på partiklar som pollen hindrar dem från att klumpa ihop sig. Liknande, spikarna på dessa partiklar som gjorts av forskargruppen hjälper dem att spridas i praktiskt taget vilken vätska som helst, en egenskap som är användbar för att stabilisera fasta/vätskeblandningar såsom färger.
Mikropartiklarna med vridna spikar tar också in UV -ljus och avger vridet - eller cirkulärt polariserat - synligt ljus som svar.
"Förståelsen av dessa utsläpp var en av de svåraste delarna av undersökningen, " sa de Moura.
Från resultaten av experimenten och simuleringarna, det verkar som att UV -energi absorberades i partiklarnas hjärtan och transformerades genom kvantmekaniska interaktioner, blir cirkulärt polariserat synligt ljus när det lämnat genom de böjda spikarna.
Kalkstensskalet som produceras av coccolithophoren Syracosphaera anthos, en av de mest komplexa partiklarna i denna skala som finns i naturen, är mer invecklad än kajakpartiklar men mindre invecklad än den taggiga syntetiska partikeln. Med tillstånd av mikrotax.org
Forskarna tror att taktiken de har avslöjat kan hjälpa forskare att konstruera partiklar som förbättrar biosensorer, elektronik och kemiska reaktioners effektivitet.
Studien heter, "Uppkomsten av komplexitet i hierarkiskt organiserade kirala partiklar, " och publiceras i tidskriften Vetenskap .
