Inspirerade av naturen har forskare inom nanoteknik identifierat "spontan krökning" som nyckelfaktorn för hur ultratunna, konstgjorda material kan förvandlas till användbara rör, vridningar och spiraler.
Större förståelse för denna process – som efterliknar hur vissa frökapslar öppnar sig i naturen – skulle kunna låsa upp en rad nya kirala material som är 1 000 gånger tunnare än ett människohår, med potential att förbättra designen av optiska, elektroniska och mekaniska enheter.
Kirala former är strukturer som inte kan läggas ovanpå sin spegelbild, ungefär som hur din vänstra hand är en spegelbild av din högra hand men inte kan passa perfekt ovanpå den.
Spontan krökning inducerad av små molekyler kan användas för att ändra formen på tunna nanokristaller, påverkad av kristallens bredd, tjocklek och symmetri.
Forskningen, publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences , genomfördes av medlemmar av National Centre for Scientific Research (CNRS) i Frankrike, tillsammans med deras ARC Center of Excellence in Exciton Science-kollegor, baserade vid University of Sydney.
Föreställ dig ett papper som, när det doppas i en lösning, vrids eller krullas till en spiral utan någon yttre kraft. Detta är besläktat med vad som händer på nanoskala med vissa tunna material.
Forskare har upptäckt att när vissa typer av halvledande nanotrombocyter - extremt tunna, platta kristaller - är belagda med ett lager av organiska molekyler som kallas ligander, krullar de sig till komplexa former, inklusive rör, vridningar och spiraler. Denna omvandling drivs av de olika krafter som liganderna applicerar på nanoblodplättarnas övre och undre yta.
Betydelsen av detta fynd ligger i förmågan att förutsäga och kontrollera formen på dessa nanoblodplättar genom att förstå interaktionen mellan liganderna och nanoblodplättarnas yta.
Inspirationen till denna forskning kommer från att observera naturfenomen där spiralformade strukturer är vanliga, från DNA i våra celler till spontana vridningar av fröskidor. Dessa strukturer har unika egenskaper som är mycket önskvärda inom materialvetenskap för deras potentiella tillämpningar inom mekanik, elektronik och optik.
Nanoblodplättar, med sin förmåga att bilda spiralformade strukturer och exceptionella optiska egenskaper på grund av kvantinneslutning, sticker ut som en främsta kandidat för att skapa nya material med specifika egenskaper. Dessa kan inkludera material som selektivt reflekterar ljus, leder elektricitet på nya sätt eller har unika mekaniska egenskaper.
Konsekvenserna av denna forskning är betydande. Genom att tillhandahålla ett ramverk för att förstå och kontrollera formen på nanoblodplättar, har forskare ett nytt verktyg för att designa material med exakt avstämda egenskaper för användning i tekniker som sträcker sig från avancerad elektronik till lyhörda, smarta material.
Till exempel kan nanoblodplättar konstrueras för att ändra form som svar på miljöförhållanden, såsom temperatur eller ljus, vilket banar väg för material som anpassar sig och reagerar på sin omgivning. Detta kan leda till genombrott för att skapa effektivare sensorer.
Dessutom antyder studien möjligheten att skapa material som kan växla mellan olika former med minimal energitillförsel, en funktion som skulle kunna utnyttjas för att utveckla nya former av ställdon eller strömbrytare i nanoskala.
Mer information: Debora Monego et al, Ligand-inducerade inkompatibla krökningar kontrollerar ultratunn nanoblodplättspolymorfism och kiralitet, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2316299121
Tillhandahålls av ARC Center of Excellence in Exciton Science
