Учёные MIT нашли новый способ создания материалов из наночастиц с помощью гибких молекул
Исследователи Массачусетского технологического института (MIT) и Делавэрского университета разработали новый способ соединения наночастиц в упорядоченные трёхмерные структуры. Вместо жёстких молекулярных связей, которые долгое время считались необходимыми для точной сборки таких материалов, учёные использовали гибкие полимерные цепочки. Эксперименты показали, что они способны самостоятельно перестраиваться и формировать необычные кристаллические решётки, открывая новые возможности для создания материалов с заданными свойствами.
Работу провела группа исследователей под руководством профессора MIT Роберта Макфарлейна. Учёные занимались созданием так называемых сверхрешёток — упорядоченных структур из наночастиц, расположенных подобно атомам в обычном кристалле. Такие материалы позволяют управлять физическими свойствами вещества за счёт изменения взаимного расположения мельчайших строительных элементов, размеры которых измеряются нанометрами.
До сих пор одной из основных сложностей оставалось точное соединение наночастиц в структуры заданной формы. Для этого исследователи часто использовали специальные молекулы, называемые лигандами, которые прикрепляются к поверхности частиц и определяют, каким образом они могут соединяться между собой. Считалось, что для формирования сложных упорядоченных структур необходимы достаточно жёсткие соединительные элементы, способные задавать определённые направления связей. Гибкие молекулы, напротив, могли менять положение, что затрудняло предсказание конечной структуры.
Команда Макфарлейна решила проверить противоположный подход. Вместо того чтобы ограничивать подвижность соединительных молекул, исследователи использовали чрезвычайно гибкие полимерные цепочки с электрически заряженными окончаниями. Благодаря притяжению противоположных зарядов наночастицы могли соединяться друг с другом, а подвижные цепочки — самостоятельно принимать наиболее выгодное положение.
Во время сборки полимерные цепочки перераспределялись по поверхности наночастиц и концентрировались в областях их взаимодействия. В результате первоначально равномерная оболочка становилась неоднородной, а связи между частицами приобретали определённую направленность. Это ограничивало количество соседних частиц, с которыми могла соединиться каждая наночастица, и позволяло формировать более разреженные структуры вместо обычных плотно упакованных решёток.
Исследователи установили, что степень гибкости соединительных молекул непосредственно влияет на строение получаемого материала. Чем сильнее полимерные цепочки могли изменять свою форму, тем меньше соседних частиц оказывалось в ближайшем окружении каждой наночастицы. Благодаря этому удавалось получать структуры с более низкой плотностью упаковки и необычной симметрией, которые трудно сформировать традиционными методами.
В экспериментах учёные создавали сверхрешётки, напоминающие кристаллические структуры хлорида натрия, хлорида цезия и других соединений. Им также удалось сформировать ранее не получавшиеся таким способом структуры, соответствующие решёткам фторида кальция и одной из кристаллических форм гидрида урана. При этом речь идёт о сходстве геометрического расположения наночастиц, а не о химическом составе полученных материалов.
Для изучения процесса использовались экспериментальные методы исследования кристаллической структуры и компьютерное моделирование. Рентгеновское рассеяние позволило получить сведения о расположении наночастиц и изменениях полимерных цепочек в местах их соединения. Результаты моделирования подтвердили, что гибкость молекулярных связей способна определять количество ближайших соседей и общую симметрию формирующейся сверхрешётки.
Ещё одним преимуществом метода стала возможность изменять структуру материала без необходимости каждый раз создавать новые сложные молекулярные соединители. Управляя размерами наночастиц, длиной полимерных цепочек и электрическими зарядами, исследователи могут влиять на расстояния между частицами и характер их соединения. Такой подход расширяет набор доступных кристаллических структур и потенциально упрощает их производство.
Новые возможности особенно интересны для фотоники — области технологий, связанной с управлением светом. Расположение наночастиц в определённом порядке может влиять на распространение, отражение и поглощение электромагнитного излучения. Более разреженные решётки также могут использоваться при разработке каталитических материалов, где большое значение имеет доступность поверхности для химических реакций. Среди других потенциальных направлений исследователи рассматривают создание функциональных материалов для энергетики и биомедицинских технологий.
Разработанная технология показывает, что высокая гибкость молекулярных соединений может не препятствовать созданию упорядоченных материалов, а, напротив, становиться инструментом управления их структурой. Такой принцип расширяет возможности конструирования веществ на нанометровом уровне, позволяя создавать новые сочетания геометрии и физических свойств.
Результаты представлены на ChemRxiv.