Naturen har några hemligheter. Medan många strukturer med låg symmetri finns i naturen, har forskare begränsats till högsymmetridesigner när de syntetiserar kolloidala kristaller, en värdefull typ av nanomaterial som används för kemisk och biologisk avkänning och optoelektroniska enheter.

Nu har forskning från Northwestern University och University of Michigan dragit tillbaka gardinen och visar för första gången hur lågsymmetriska kolloidala kristaller kan göras – inklusive en fas som det inte finns någon känd naturlig motsvarighet till.

"Vi har upptäckt något fundamentalt om systemet för att tillverka nya material", säger Northwesterns Chad A. Mirkin. "Denna strategi för att bryta symmetri skriver om reglerna för materialdesign och syntes."

Forskningen publicerades idag (13 januari) i tidskriften Nature Materials.

Mirkin är George B. Rathmann professor i kemi vid Weinberg College of Arts and Sciences; en professor i kemisk och biologisk ingenjörskonst, biomedicinsk teknik och materialvetenskap och ingenjörskonst vid McCormick School of Engineering; och professor i medicin vid Feinberg School of Medicine. Han är också grundare av International Institute for Nanotechnology.

Forskningen leddes av Mirkin och Sharon C. Glotzer, Anthony C. Lembkes ordförande för kemiteknik vid University of Michigan.

Nanopartiklar kan programmeras och sättas samman till ordnade arrayer som kallas kolloidala kristaller, som kan konstrueras för tillämpningar från ljussensorer och lasrar till kommunikation och datorer.

"Att använda stora och små nanopartiklar, där de mindre rör sig som elektroner i en kristall av metallatomer, är ett helt nytt tillvägagångssätt för att bygga komplexa kolloidala kristallstrukturer", säger Glotzer.

I denna forskning användes metallnanopartiklar vars ytor var belagda med designer-DNA för att skapa kristallerna. DNA:t fungerade som ett kodningsbart bindningsmaterial och omvandlade dem till vad som kallas programmerbara atomekvivalenter (PAE). Detta tillvägagångssätt erbjuder exceptionell kontroll över formen och parametrarna för kristallgittren, eftersom nanopartiklarna kan "programmeras" för att ordna sig själva på specificerade sätt, enligt en uppsättning regler som tidigare utvecklats av Mirkin och hans kollegor.

Men hittills har forskare inte haft ett sätt att förbereda gitter med vissa kristallsymmetrier. Eftersom många PAE är isotropa - vilket betyder att deras strukturer är enhetliga i alla riktningar - tenderar de att arrangeras i mycket symmetriska sammansättningar, och det är svårt att skapa lågsymmetriska gitter. Detta har begränsat de typer av strukturer som kan syntetiseras, och därför de optiska egenskaper som kan realiseras med dem.

Genombrottet kom genom ett nytt sätt att kontrollera valens. Inom kemi är valens relaterad till arrangemanget av elektroner runt en atom. Det bestämmer antalet bindningar atomen kan bilda och geometrin den antar. Med utgångspunkt i en nyligen genomförd upptäckt att små PAE kan bete sig som elektronekvivalenter, ströva igenom och stabilisera gitter av större PAE, ändrade forskarna i Northwestern och Michigan valensen av deras elektronekvivalenter genom att justera tätheten hos DNA-strängarna som ympades på deras ytor.

Därefter använde de avancerad elektronmikroskopi för att observera hur en förändring av valensen hos elektronekvivalenterna påverkade deras rumsliga fördelning bland PAE:erna och därför de resulterande gittren. De undersökte också effekterna av att ändra temperaturer och ändra förhållandet mellan PAE och elektronekvivalenter.

"Vi utforskade mer komplexa strukturer där kontroll över antalet grannar runt varje partikel gav ytterligare symmetribrott", säger Glotzer. "Våra datorsimuleringar hjälpte till att dechiffrera de komplicerade mönstren och avslöja mekanismerna som gjorde det möjligt för nanopartiklarna att skapa dem."

Detta tillvägagångssätt satte scenen för tre nya, aldrig syntetiserade kristallina faser. Den ena, en trippel dubbel-gyroidstruktur, har ingen känd naturlig motsvarighet.

Dessa lågsymmetriska kolloidala kristaller har optiska egenskaper som inte kan uppnås med andra kristallstrukturer och kan användas i ett brett spektrum av teknologier. Deras katalytiska egenskaper är också olika. Men de nya strukturerna som presenteras här är bara början på möjligheterna nu när förutsättningarna för att bryta symmetri förstås.

"Vi är mitt i en aldrig tidigare skådad era av materialsyntes och upptäckt," sa Mirkin. "Detta är ytterligare ett steg framåt för att ta ut nya, outforskade material ur skissboken och till applikationer som kan dra nytta av deras sällsynta och ovanliga egenskaper."

Glotzer är också John Werner Cahn Distinguished University Professor of Engineering, Stuart W. Churchill Collegiate Professor of Chemical Engineering och professor i materialvetenskap och ingenjörskonst, makromolekylär vetenskap och teknik och fysik vid University of Michigan. Byeongdu Lee från Argonne National Laboratory är en motsvarande författare med Mirkin och Glotzer. + Utforska vidare

Elektronuppträdande nanopartiklar ger upphov till strömförståelse av materia