Mesokristaller är en klass av fasta ämnen som bildas av det regelbundna arrangemanget av nanokristaller, som är små nanopartiklar som har unika egenskaper på grund av sin lilla storlek. I mesokristaller antar dessa en mycket organiserad, överordnad form i ett tätt packat rutnät. En tysk-schweizisk forskargrupp ledd av professor Helmut Cölfen, kemist från Konstanz, har nu lyckats syntetisera särskilt komplexa mesokristaller med i stort sett okända kemiska och fysikaliska egenskaper och belysa deras struktur.

Vad är så speciellt? Två olika nanokristaller - platina- och magnetitkuber - är de grundläggande byggstenarna i de nya fasta ämnen som självmonteras till en tredimensionell överbyggnad. Hittills har mesokristaller från två olika grundläggande byggstenar, kallade binära mesokristaller, endast kunnat produceras som tvådimensionella strukturer.

Den syntetiska vägen och strukturella karakteriseringen av 3D-binära mesokristaller av platina- och magnetitnanokristaller har just beskrivits i tidskriften Angewandte Chemie International Edition . Resultaten av studien är det första steget mot ett potentiellt "byggsystem" som kan göra det möjligt att i framtiden kombinera egenskaperna hos olika nanokristaller på ett målinriktat sätt och överföra dem till den mer hanterbara mikrovärlden – vilket resulterar i en mängd möjliga fördelar och tillämpningar.

Nanoteknik i det antika Rom

De grundläggande byggstenarna i mesokristaller är nanokristaller. På grund av sin ringa storlek, som kan vara ännu mindre än virus, uppvisar de unika egenskaper som större partiklar av samma material saknar. Detta inkluderar den komplicerat klingande 'kvantstorlekseffekten', som kan observeras i halvledarnanopartiklar med en diameter i nanometerområdet vilket resulterar i storleksberoende färg, vilket bland annat spelar en viktig roll i produktionen av lysdioder. Ett annat exempel är ytplasmonresonanseffekten, som ger metallnanopartiklar storleksberoende optiska egenskaper.

Mänskligheten använde sig av några av dessa nano-egenskaper redan under det romerska imperiet. Ett känt exempel är Lycurgus Cup från 300-talet, som nu visas i British Museum, vars glaselement ändrar färg beroende på ljusinfall och betraktningsvinkel. Anledningen:Bägarens glas är impregnerat med guld- och silvernanopartiklar som visar ytplasmonresonanseffekten. De starka och hållbara färgerna i medeltida kyrkfönstren är också baserade på denna effekt, eftersom det finns guldnanopartiklar ingjutna i fönstrens glas.

Det bästa från två världar

"Genom att skapa mesokristaller från nanokristaller kan det nu vara möjligt att överföra dessa och andra egenskaper, som tidigare var reserverade för de minsta fasta ämnena, till fasta ämnen med storlekar i mikrometerområdet", förklarar Helmut Cölfen, professor i fysikalisk kemi vid University of Konstanz och chef för forskningsprojektet. "Detta gör mesokristaller till extremt intressanta föremål inom materialforskning."

Mikrometerskalan inkluderar föremål som är upp till 100 000 gånger större än nanopartiklar, vilket fortfarande är väldigt litet, men som gör en enorm skillnad i partiklarnas hanterbarhet. Till exempel kan partiklar med storlekar i mikrometerområdet filtreras mycket bättre än nanopartiklar. När det gäller fasta ämnen som mesokristaller, eliminerar detta också en avgörande nackdel med nanopartiklar:deras potentiella toxicitet. Tidigare har nanopartiklar i allt högre grad blivit fokus för hälsoforskningen, eftersom de lätt kan komma in i kroppen genom huden, maten eller andedräkten när de är i obundet tillstånd. "På grund av sin ringa storlek kan nanopartiklar övervinna viktiga skyddande barriärer i människokroppen. De betydligt större mesokristallerna kan däremot inte det", säger Helmut Cölfen.

Nå målet med tålamod

Som beskrivs i den aktuella studien, för att producera de hittills unika 3D binära mesokristallerna från platina- och magnetitnanokristaller som beskrivs i den aktuella studien, läggs dessa kubformade grundläggande byggstenar först i ett lösningsmedel och en dispersion skapas. Blandningsförhållandet spelar här en avgörande roll och återspeglas senare i mesokristallens sammansättning. "Om vi ​​skulle ta en droppe av byggstensblandningen och helt enkelt låta lösningsmedlet avdunsta, skulle vi också få en binär mesokristall, men den skulle vara tvådimensionell istället för tredimensionell. Därför var vi tvungna att hitta på något nytt. att skapa tredimensionella mesokristaller", rapporterar Helmut Cölfen.

Nyckeln till framgång:Inbromsning. För detta ändamål läggs dispersionen med nanokristallerna i en extra, sluten behållare som innehåller en kemikalie i vilken nanokristallerna inte kan lösas upp – ett "icke-lösningsmedel", så att säga. Efter det är det bara att vänta och se. Långsamt, under loppet av flera dagar, avdunstar det icke-lösningsmedlet gradvis och blandar sig alltmer med nanokristalldispersionen. "Vid något tillfälle börjar nanokristallerna att interagera genom att docka till varandra på grund av ökningen av icke-lösningsmedel i dispersionen. Normalt sker något sådant snabbt och okontrollerat. Genom att förlänga processen via avdunstning av icke-lösningsmedlet över flera dagar och på så sätt minskar effekten av själva lösningsmedlet bara gradvis istället för plötsligt, processen är mycket mer kontrollerad. Resultatet av vår metod är "stora", tredimensionella mesokristaller", förklarar Helmut Cölfen.

Nya, outforskade egenskaper dyker upp

Efter att Konstanz-kemisterna ledda av Helmut Cölfen framgångsrikt syntetiserat de tredimensionella mesokristallerna, karakteriserade de deras exakta struktur i samarbete med schweiziska kollegor från Center for X-ray Analysis vid Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology (Empa) i St. Gallen och Paul Scherrer Institute (PSI) i Villingen. De kunde visa att faktiska tredimensionella, binära mesokristaller av platina- och magnetitnanokristaller bildas under syntes. Än så länge kan forskarna bara spekulera om de fullständiga fysikaliska och kemiska egenskaperna hos dessa nya fasta ämnen.

Kombinationen av de två egenskaperna skulle då resultera i en mycket bra kemisk katalysator på grund av platinakomponenten, som i sin tur lätt kunde separeras och återvinnas med en magnet efter användning på grund av magnetitkomponenten. Det värdefulla materialet platina skulle inte gå förlorat. Men mesokristaller bevarar inte bara egenskaperna hos de nanokristaller de innehåller, de besitter också egenskaper som går utöver deras individuella byggstenar. "När de enskilda nanokristallerna interagerar och kopplar ihop sig i mesokristallens överordnade struktur skapas helt nya, kollektiva egenskaper som de enskilda partiklarna själva inte alls har", förklarar Helmut Cölfen entusiastiskt och fortsätter:"Undersöker dessa i detalj i framtiden. kommer att bli oerhört spännande."

Första steget mot ett potentiellt byggsatssystem

Produktionen av tredimensionella mesokristaller från nanokuber av platina och magnetit är inte slutet på historien. Tvärtom är syftet att kombinera andra nanokristaller också i framtiden med hjälp av den utvecklade processen. Enligt forskarna är deras resultat snarare det första steget mot ett potentiellt byggsatssystem:"Vårt mål är att förfina metoden så att ett brett utbud av nanokristaller och deras egenskaper helst kan kombineras på vilket sätt vi vill - typ av som LEGO-klossar," ger Helmut Cölfen en blick och fortsätter med ett leende:"Platinamagnetitmesokristallen skulle då vara det första lilla tornet, så att säga, som vi byggde av våra stenar."

"Att producera strukturer som våra tredimensionella, binära mesokristaller var just ett av målen för detta Collaborative Research Centre. Vad vi behöver göra nu är att karakterisera interaktionerna mellan nanobyggstenarna och att studera de resulterande, nya egenskaperna", avslutar vi. Helmut Cölfen. + Utforska vidare

Forskare upptäcker en ny väg för att bilda komplexa kristaller