Из коллоидов научились собирать сложные структуры

Ученые сконструировали новый вид частиц, в 100 раз меньше диаметра человеческого волоса, которые собираются в молекулоподобные структуры, состоящие из атомов.

Эти новые частицы в процессе самосборки формируют такие образцы, которые ранее было невозможно получить, и обладают потенциалом для производства инновационных усовершенствованных оптических материалов и керамики.

Метод, описанный в издании Nature, был разработан группой химиков, химиков-технологов и физиков из Нью-Йоркского университета, Гарвардской школы инженерных и прикладных наук, кафедры физики Гарвардского университета и Dow Chemical Company.

Метод сосредоточен на усилении архитектуры коллоидов — маленьких частиц, суспендированных в жидкой среде. Коллоидная дисперсия состоит из таких привычных элементов как краска, молоко, желатин, стекло и фарфор, но потенциал для создания новых материалов остается в значительной степени неиспользованным.

Ранее ученые преуспели в том, чтобы создать элементарные структуры из коллоидов. Но способность использования коллоидов для проектирования и сборки сложных трехмерных структур, которые жизненно необходимы для формирования передовых оптических материалов, была ограниченной. Отчасти это потому, что коллоиды испытывают недостаток в направленных связях, которые необходимы для контроля самосборки частиц и увеличения сложности в целях поддержки структурной целостности этих форм. Подобные собрания служат стандартными блоками в естественной среде, например, атомы и молекулы, но в сфере коллоидов они весьма редкие.

«Цель метода — использовать натуральные свойства атомов и применить их в коллоидном мире», пояснил профессор химии Маркус Век, соавтор исследования.

„К услугам химиков для синтеза новых молекул и кристаллов есть целая периодическая таблица атомов“, добавил соавтор Винотхан Манохаран, доцент химических технологий и физики. „Мы намеревались разработать подобный конструктор для того, чтобы производить молекулы большего масштаба и кристаллы“.

В ходе развития коллоидов с такими свойствами ученые разработали химические патчи, которые могут формировать направленные связи, позволяющие сборку трехмерных решеток лишь с несколькими связями между частицами — важный элемент проекта для множества передовых материалов. Без направленных связей подобные структуры нестабильны.

Фокус в установлении потенциальных соединений между патчами. Ученые сделали это с помощью одинарных нитей ДНК, которые ранее использовались для организации маленьких частиц. В новом методе нити ДНК служили липучками, к которым крепились патчи из частиц.

„Это значит, что мы можем сделать частицы, которые крепятся только к патчам, и можем запрограммировать их так, что только определенные виды частиц крепились к этим участкам“, сказал соавтор Дэвид Пайн, профессор физики. „Это дает нам огромную гибкость в проектировании трехмерных структур“.

Исследователи добавили, что специфика взаимодействий ДНК между участками означает, что коллоиды с разными свойствами, например, размером, цветом, химическими возможностями или электропроводимостью, могут привести к производству совершенно новых материалов. Потенциально такие материалы включают трехмерные электрические сети или фотонные кристаллы для усиления оптических дисплеев в диапазоне потребительских продуктов, и, наконец, для повышения скорости компьютерных процессоров.

01.11.2012