Tetraederformade nanopartiklar är intressanta nog i sig själva, men under rätt omständigheter har Rice University-forskare upptäckt att de gör något anmärkningsvärt.

Medan de gjorde en rutinkontroll av ett parti små guldtetraedrar fann riskemisten Matthew Jones och doktorand Zhihua Cheng att deras mikroskopiska partiklar hade den oväntade förmågan att ordna sig i kirala 2D-överbyggnader.

Upptäckten, som beskrivs i en ny studie i Nature Communications , är troligen den första kända spontana självmonteringen av en plan kiral struktur, sa Jones.

Kirala strukturer är spegelmotsatser, liknande former, som höger och vänster hand, som inte kan läggas ovanpå varandra. Det är en viktig skillnad i läkemedelsdesign, där kirala molekyler kan vara terapeutiska i ena handen och giftiga i den andra.

Tetraedrar i sig är inte kirala – det vill säga de kan läggas ovanpå sina spegelbilder. Det gjorde det dubbelt överraskande att de så lätt föll i kirala former under experiment när de förångades på en yta, sa Jones.

"Det här är oväntat", sa han. "Det är mycket sällsynt att se en kiral struktur bildas när dina byggstenar inte är kirala."

Jones sa att 2D-supergittren som tetraedrarna skapar kan leda till framsteg inom metamaterial som manipulerar ljus och ljud på användbara sätt. "Det finns en hel serie artiklar som förutsäger att några av de mest intressanta egenskaperna från optiska metamaterial uppstår i strukturer som har kiralitet i denna längdskala", sa han.

De kirala ytorna som skapas på Rice är ultratunna sammansättningar av partiklar som innehåller vänsterhänta och högerhänta domäner i lika antal. Det har betydelse för hur de behandlar cirkulärt polariserat ljus, ett användbart verktyg inom spektroskopi och plasmonik.

Jones sa att ett sätt att bygga exakta 2D-strukturer är att börja med en stor bit material och arbeta uppifrån och ner, som en skulptör, och ta bort oönskade bitar för att komma fram till önskad form. Självmontering är ett nedifrån-och-upp-tillvägagångssätt där en stor struktur, som ett träd, växer från sammanfogningen av otaliga små bitar. Montering nedifrån och upp är vanligtvis den snabbare och mer effektiva av de två metoderna.

"För det mesta använder människor sfäriska partiklar i självmontering, men du kan bara inte få så mycket komplexitet när det gäller strukturen," sa Jones. "Min grupp tar icke-sfäriska partiklar och försöker få dem att samlas i mer sofistikerade strukturer."

Efter att ha upptäckt ett sätt att göra välformade guld nano-tetraeder, lade Jones och Cheng dem i en lösning och placerade en droppe på ett substrat. "Vi låter bara droppen avdunsta, och det vi får ut är dessa fantastiska supergaller", sa han.

"Det finns två saker som gör dem fantastiska," sa han. "Den ena är att de uteslutande är tvådimensionella, och den andra, som är mer intressant, är att de är kirala."

Jones och Cheng trodde från början att partiklarna kunde växa i tre dimensioner, "men vi förstår nu hur de bildar en så komplicerad 2D-struktur som är två partiklar tjocka", sa Jones.

Cheng sa, "Inledningsvis förväntade vi oss inte att de skulle monteras alls. Jag ville bara se att partiklarna var rena och enhetliga i storlek. När jag såg de olika kirala arrangemangen var det en total överraskning för mig att de monterades till sådana en cool struktur!"

Jones sa att partiklarna drar fördel av flera fenomen när de sätts samman, inklusive van der Waals-krafter, elektrostatisk repulsion mellan molekylerna på tetraederytorna och substratet som droppen är placerad på. "Med tiden, när droppen avdunstar, går partiklarna från mestadels frånstötande till starkt attraktiva, och det är så de kristalliseras till supergaller", sa han.

Materialets hexagonala domäner bildas när tetraedrarna möts med sina spetsar antingen uppåt eller nedåt. När partiklarna samlas möts deras punkter så småningom, vilket kräver att de glider förbi varandra en bit för att fortsätta komma närmare varandra. Detta tvingar alla partiklar i den monterande hexagonen att slumpmässigt rotera åt det ena eller andra hållet och bildar vänster- och högerhänta kirala domäner.

Jones noterade att det finns en matematisk grund för fenomenet som någon så småningom kan komma på.

"Det var först nyligen som den tätaste packningen av sfärer bevisades matematiskt, så det kan dröja innan vi kan förvänta oss något liknande för tetraedrar," sa han. "Det är väldigt, väldigt komplicerat."

Jones sa att han ser möjligheten att en dag "sätta ihop ett material som detta vid ytan av en pool" så att avancerade metamaterialbeläggningar kan appliceras på praktiskt taget vilket föremål som helst genom att helt enkelt doppa det genom vätskeytan. + Utforska vidare

Metamaterial förbättrar signifikant kirala nanopartikelsignaler