Самосборные структуры открывают новый класс материалов

Ученые продемонстрировали биоинспирированные структуры, которые способны самособираться из обычных сфер.

Спиральные супермолекулы состоят из крошечных коллоидных сфер вместо атомов и молекул. Подобные методы могли использоваться для создания новых материалов с функциональностью сложных коллоидных молекул.

Результаты исследования, проведенного учеными из университета Иллинойса и Северо-западного университета, опубликованы в выпуске издания Science от 14 января 2011 года.

«Теперь мы можем создать целый класс новых умных материалов, которые откроют дверь новейшим функциональным возможностям», сказал профессор Стив Граник.

Исследователи разработали крошечные латексные сферы, получившие название «сферы Януса», которые притягиваются в воде друг к другу одной стороной, но отталкиваются другой. Их двойственная природа и лежит в основе способности формирования необычных структур, подобно атомам и молекулам.

В чистой воде такие частицы рассеиваются полностью, поскольку их заряженные стороны отражают друг друга. Однако если в раствор добавить соль, ее ионы смягчают отражение, а потому сферы могут приближаться достаточно близко для притяжения. Соединение посредством гидрофобных окончаний объединяет сферы в кластеры.

При низкой солевой концентрации формируются лишь маленькие кластеры, состоящие из нескольких частиц. Чем концентрация соли выше, тем больше становится самособирающаяся цепь спиралевидной структуры.

«Подобно атомам, объединяющимся в молекулу, эти частицы собираются в суперколлоиды», сообщил Граник. «Подобное поведение совершенно типично для молекул и атомов, которые реагируют друг с другом химически, однако людям не удавалось искусственно создать частицы, которые вели бы себя подобным образом».

Ученые разработали сферы с исключительно точной силой притяжения между их гидрофобными половинами, чтобы они с одной стороны притягивались, а с другой оставались подвижными и способными маневрировать.

Одно из преимуществ супермолекул заключается в том, что они являются достаточно большими, чтобы можно было наблюдать за ними в реальном времени с помощью микроскопа. Ученые сумели отметить, что сферы Януса объединяются, и кластеры растут и перестраиваются в различные формы, которые ученые назвали изомерами.

«Мы стараемся направить формирование этих маленьких частиц в формы, которые не создала бы природа», сказал Граник.

В дальнейшем ученые надеются продолжить исследовать коллоидные свойства с точки зрения формирования более неестественных структур. Частицы Януса различных размеров и форм могут позволить создание других супермолекул с большим контролем над их формированием.

14.01.2011