Kredit:Pixabay/CC0 Public Domain
Naturen kan avsky ett vakuum, men den älskar verkligen struktur. Komplexa, självorganiserade sammansättningar finns i hela den naturliga världen, från dubbelhelix-DNA-molekyler till de fotoniska kristallerna som gör fjärilsvingarna så färgglada och skimrande.
Ett Cornell-ledd projekt har skapat syntetiska nanokluster som kan efterlikna denna hierarkiska självmontering hela vägen från nanometern till centimeterskalan, som spänner över sju storleksordningar. De resulterande syntetiska tunna filmerna har potential att fungera som ett modellsystem för att utforska biomimetiska hierarkiska system och framtida avancerade funktioner.
Gruppens artikel, "Multiscale Hierarchical Structures from a Nanocluster Mesophase", publicerad 14 april i Nature Materials .
Tidigare har det största hindret för att skapa den här typen av syntetiskt nanomaterial varit bristen på nanoskala byggstenar med den nödvändiga mångsidigheten för att interagera över många längdskalor, vilket gör det möjligt för dem att organisera sig i komplexa strukturer, som finns i biomolekyler.
Så ett team ledd av co-seniorförfattarna Richard Robinson, docent i materialvetenskap och ingenjörsteknik vid College of Engineering, och Tobias Hanrath, professor vid Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering, vände sig till kadmiumsulfid, en beprövad och sant material för nanopartikelforskning.
Till skillnad från tidigare försök att syntetisera föreningen, utförde gruppen en högkoncentrationsversion av syntes som använde mycket lite lösningsmedel. Processen producerade "kluster i magisk storlek" med 57 atomer, cirka 1,5 nanometer långa. Var och en av dessa nanopartiklar hade ett skal av ligander - speciella bindande molekyler - som kunde interagera med varandra på ett sådant sätt att de bildade filament flera mikrometer långa och hundratals nanometer breda. Filamenten "dekorerades med jämna mellanrum med dessa magiska kluster, som en motorväg av bilar, med perfekt avstånd mellan dem", enligt Robinson.
"Om du tittar ner på framsidan av glödtråden, ner i mitten, är den både radiellt organiserad och hexagonalt strukturerad," sa han. "Och eftersom dessa strukturerade filament har attraktiva förvecklingar, visar det sig att när de torkas under rätt förhållanden, kommer de att självmontera med lång räckvidd."
Anmärkningsvärt nog, genom att noggrant kontrollera förångningsgeometrin, vred sig filamenten till större kablar som är hundratals mikron långa, och kablarna buntades sedan ihop och riktades in i högt ordnade band, vilket slutligen resulterade i en tunn film som är mönstrad i centimeterskala.
"Vanligtvis kan du inte syntetisera något som har hierarkisk organisation från nanometer till sju storleksordningar större. Jag tror att det verkligen är den speciella såsen," sa Robinson. "Monterna efterliknar många intressanta naturliga produkter - naturlig mineralisering, naturlig fotonik - saker som förekommer i naturen som vi inte har kunnat reproducera framgångsrikt i labbet."
Blandningen av organiska och oorganiska interaktioner ger klustren i magisk storlek möjligheten att skapa filmer med perfekt periodisk mönstring. Det faktum att den tunna filmen kan visa hela spektrumet av en regnbåge, vilket forskarna visade, är ett bevis på dess felfria struktur.
"Det är troligt att folk inte har sett detta förut eftersom de flesta synteser har gjorts i låga koncentrationer, så du har mycket lösningsmedel. De har inte samma ligand-ligand-interaktioner", sa han. "Vi ändrade det. Vi flyttade skalan med ett klick på decimalen och vi skapade denna lösningsmedelsfria syntes."
Bland de mest spännande aspekterna av nanomaterialfilmen är att den visar kirala optiska egenskaper - den icke-symmetriska absorptionen av polariserat ljus - som sannolikt manifesteras på nanopartikelnivå, och denna egenskap förstärks hela vägen upp till den makroskopiska skalan. De tunna filmerna delar också vissa överraskande likheter med flytande kristaller.
För att bättre förstå beteendet hos självorganisationen rådfrågade Robinson och Hanrath en grupp medarbetare.
Lena Kourkoutis, docent i tillämpad och teknisk fysik, hanterade elektronmikroskopin som gjorde det möjligt för teamet att se var nanopartiklarna fanns i filamenten. Julia Dshemuchadse, biträdande professor i materialvetenskap och teknik, teoretiserade reglerna som styr filamentens montering och stabilitet. Forskare från University of Toronto och Rochester Institute of Technology uppskattade växelverkan mellan de elektriska dipolerna som orienterar klustren, och utvecklade en teoretisk modell som visade varför förångningsmetoden fick nanoklustren att bilda en så perfekt periodisk film respektive.
Upptäckten av de anmärkningsvärda flerskaliga strukturerna öppnar nya vägar för att utveckla teknologier som drar nytta av deras framväxande chiroptiska egenskaper.
"De unika ljus-materia-interaktionerna hos dessa kirotiska metamaterial kan användas för en rad potentiella applikationer, från avkänning, katalys och cirkulärt polariserade ljusdetektorer till ytterligare framtidsutsikter inom spintronik, kvantberäkning och holografi", säger Hanrath. + Utforska vidare
