Naturen gillar tydligt symmetri. Titta på dina egna händer, till exempel. Men ibland producerar naturen asymmetriska saker, och orsakerna är inte alltid tydliga.

Kemisten Matthew Jones från Rice University och hans team har sökt svar på sådana frågor om användbara nanopartiklar - och verkar nu ha en.

En ny studie av Jones, huvudförfattare och postdoktor Muhua Sun och doktorander Zhihua Cheng och Weiyin Chen visar hur symmetribrott under partikeltillväxt på ett tillförlitligt sätt bildar pyramidformade, guldtetraedernanokristaller.

Vid symmetribrytning avgör små fluktuationer i ett utvecklande system systemets öde. I det här fallet gäller det tillväxten av kristaller från frön i nanoskala som börjar med ett symmetriskt atomgitter.

Rice-forskarna visade hur balanserande termodynamiska och kinetiska krafter under kristalliseringsprocessen kan användas för att luta partikeltillväxt i önskad riktning. Deras upptäckt öppnar också en väg mot att använda asymmetriska nanopartiklar som byggstenar för unika metamaterial.

Studien i American Chemical Society-tidskriften ACS Nano härrör från arbete med stöd av Jones' Packard Fellowship, beviljat 2018 för att hjälpa honom att bedriva forskning inom flytande celltransmissionselektronmikroskopi (TEM).

Tekniken som utvecklats av Jones och hans labb tillåter forskare att se enstaka metallnanopartiklar bildas i vätska genom ett fönster som är tillräckligt stort för att låta elektroner passera. Vid allmän användning arbetar transmissionselektronmikroskop i högvakuum och avdunstar helt enkelt exponerade vätskor.

Forskarna noterade att tetraederformade nanopartiklar ofta finns som biprodukter av andra processer, men att målmedvetet göra dem i labbet har visat sig vara en utmaning.

"Om en partikel är en enkristall, ärver den vanligtvis gallrets symmetri," sa Jones. "Och kristaller tenderar att vara mycket symmetriska, som kuber eller rombiska dodekaedrar eller oktaedrar. Men sedan finns det dessa konstiga extremvärden som vissa människor ser som mystiskt nog har en lägre symmetri än modergittret."

Den nya studien är den första från Jones labb som visar hur väl vätskecellstekniken fungerar. Förmågan att strömma vätska som innehåller ligander och prekursorer genom cellen medan de tittar på tillät dem att komma in på den punkt där tillväxten går vilse och omdirigerar symmetrin hos den slutliga nanopartikelprodukten.

Nyckeln verkade vara tillväxthastigheten och förhållanden under vilka guldatomer tenderade att fästa sig vid partiklar vid deras spetsar och kanter snarare än de termodynamiskt gynnade ytorna.

"Nu när vi kan screena en rad förhållanden kunde vi se ett spektrum med kinetisk tillväxt i ena änden och jämvikt i den andra," sa Jones. "Den kinetiska tillväxten är snabb och utsprången växer mycket snabbt och den är inte särskilt väl kontrollerad. I jämvikt är tillväxten långsam och systemet gör vad det vill göra, vilket är att upprätthålla symmetri.

"Men flytande cell TEM gjorde det möjligt för oss att ändra en variabel i farten och se beteendet i mitten, där vi kunde se denna konstiga symmetri bryta och en väldefinierad tetraederpartikel komma ut. Så vi drog slutsatsen att detta måste vara en balans mellan jämvikt och kinetiska faktorer."

Jones sa att han förstår att grundläggande balans "bör vara generaliserbar till en mängd andra tillstånd."

Han sa att upptäckten också etablerar flytande cell-TEM som ett värdefullt verktyg för observation och analys av dynamiska kemiska processer, vilket potentiellt eliminerar en hel del trial and error i syntesen av partiklar för biomedicin, katalys eller nanofotonik.

"Det finns inget riktigt som att kunna se det hela hända," sa han. "Det är vad den här tekniken gör. Du skjuter inte fotoner mot något och sedan måste du göra en massa analyser för att tolka resultaten. Du bara tittar på processen. Att se är att tro." + Utforska vidare

Ursprunget till symmetribrott i den frömedierade tillväxten av bimetallnano-heterostrukturer