Учёные MIT и их коллеги предложили новый способ сборки наночастиц в упорядоченные материалы. Вместо жёстких молекулярных связок они использовали гибкие соединители, которые могут перестраиваться при сближении частиц, и получили кристаллические структуры, ранее не наблюдавшиеся.
От жёстких связок к гибким
Наночастицы могут обладать полезными электрическими, оптическими или химическими свойствами, однако их сложно объединять в более крупные организованные материалы. При обычной сборке частицы стремятся образовывать плотные структуры, а управление числом соседей и направлением связей требует сложного изменения формы или поверхности наночастиц.
Традиционный подход также предполагает использование жёстких лигандов — молекул, соединяющих соседние частицы. Считалось, что такие связки должны сохранять заданные углы, иначе сборка не сработает. По словам Роберта Макфарлейна, профессора кафедры материаловедения и инженерии MIT, это представление доминировало около 20 лет.
«Мы сделали ровно наоборот: придали связям такую гибкость, чтобы их исходное направление не имело значения», — пояснил Макфарлейн. По его словам, лиганды могут перестраиваться по мере сближения частиц, а сама перестройка ограничивает число соседей, с которыми каждая частица способна соединиться.
Как формируются новые структуры
Исследователи снабдили наночастицы гибкими полимерными лигандами с электрически заряженными концами. Одни лиганды несут положительный заряд, другие — отрицательный, поэтому противоположно заряженные соединители притягиваются. При этом гибкость полимерных цепей влияет на число связей, образуемых каждой наночастицей.
Эксперименты, проведённые под руководством Николаса Сбалби, показали, что структуру сборки можно менять за счёт двух параметров: размера наночастиц и длины гибких молекулярных цепей. Это позволило управлять числом соседних частиц и получать более открытые, менее плотные решётки вместо типичных компактных упаковок.
Такие организованные массивы наночастиц называют сверхрешётками. Работа показала, что молекулярная гибкость, которую раньше рассматривали как препятствие для точной сборки, может стать инструментом создания новых материалов. Исследование должно выйти в журнале Nature Materials; его название — «Breaking symmetry in nanoparticle superlattices via spontaneous valency».
Возможные применения
Авторы считают, что метод приблизит создание материалов с заранее заданными свойствами. В перспективе он может найти применение в фотонике, химическом катализе, электронике, медицине, сельском хозяйстве и энергетике. Однако для перехода от лабораторной демонстрации к коммерческим технологиям потребуется дальнейшая разработка подхода.
