Το MIT ανατρέπει 20ετή «κανόνα» και αποκαλύπτει άγνωστες κρυσταλλικές δομές

Ερευνητές του MIT ανέτρεψαν την επικρατούσα αντίληψη δύο δεκαετιών για το πώς συνδέονται τα νανοσωματίδια, παρουσιάζοντας δομές που δεν είχαν παρατηρηθεί έως τώρα, όπως περιγράφεται σε νέα μελέτη στο Nature Materials.

Μέχρι σήμερα, οι συνδετικοί παράγοντες (ligands) μεταξύ νανοσωματιδίων σχεδιάζονταν κυρίως άκαμπτοι. Η ομάδα ακολούθησε την αντίθετη πορεία: δημιούργησε «εύκαμπτους» συνδέτες, επιτρέποντας στους ίδιους τους κόκκους να καθορίσουν τη φύση των δεσμών τους κατά τη συναρμολόγηση.

Καθοριστικό εύρημα ήταν ότι έτσι απέκτησαν καλύτερο έλεγχο τόσο στον αριθμό των δεσμών μεταξύ των νανοσωματιδίων όσο και στην κατεύθυνσή τους, ανοίγοντας δρόμο για νέα υλικά. «Υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον για υπερπλέγματα νανοσωματιδίων επειδή υπόσχονται “σχεδιασμένα” υλικά, όπου έχεις μεγαλύτερο λόγο στους τύπους δομών που τελικά σχηματίζουν», λέει ο Rob Macfarlane, υλικός επιστήμονας στο MIT. «Πρόκειται για νέα προσέγγιση στη συναρμολόγηση νανοσωματιδίων που δεν έχει εξεταστεί πριν. Είναι συναρπαστικό να έχεις ένα τόσο αντιδιαισθητικό εργαλείο.»

Τα υλικά από νανοσωματίδια χρησιμοποιούνται ήδη ευρέως, αλλά η κλιμάκωσή τους είναι δύσκολη, καθώς από προεπιλογή πακετάρονται πολύ πυκνά και απαιτούν ειδική μηχανική για κάθε χρήση. Στην εργασία αυτή, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν νανοσωματίδια χρυσού με συνδέτες από το κοινό, εύκαμπτο πολυμερές PEG, με θετικά ή αρνητικά φορτία στις άκρες για να διευκολύνουν τις συνδέσεις. Παράλληλα, πραγματοποίησαν υπολογιστικές προσομοιώσεις για να παρακολουθήσουν και να επιβεβαιώσουν όσα έδειχναν τα πειράματα.

Χωρίς ακαμψία, οι συνδέτες συσσωρεύονταν στα σημεία επαφής των σωματιδίων, περιορίζοντας έτσι τον αριθμό των δεσμών που μπορούσαν να σχηματιστούν — οι αλυσίδες από σωματίδιο σε σωματίδιο ήταν συγκεκριμένες και όχι απεριόριστες. «Είναι ακριβώς το αντίθετο από το “δόγμα” των τελευταίων 20 ετών: ότι πρέπει να κάνεις τους συνδέτες άκαμπτους και κάθε απόκλιση οδηγεί σε αποτυχία», σημειώνει ο Macfarlane. «Δείξαμε ότι αν το πας στο άλλο άκρο, λειτουργεί εξίσου καλά.»

Οι συνδέσεις παραμένουν σε μεγάλο βαθμό ελέγξιμες μεταβάλλοντας τα μεγέθη των νανοσωματιδίων και τα μήκη των αλυσίδων των συνδετών· για παράδειγμα, μικρότερα σωματίδια οδήγησαν σε λιγότερους δεσμούς. Στις δοκιμές, η ομάδα συνέθεσε διατεταγμένες κρυσταλλικές δομές που δεν είχαν παρατηρηθεί ξανά. Η λειτουργικότητα αυτών των υλικών πρέπει να μελετηθεί περαιτέρω, ωστόσο τα πρώτα αποτελέσματα είναι ενθαρρυντικά.

«Χωρίς να χρειάζεται να προκαθορίσουμε πού θα συνδεθούν τα σωματίδια ή ποιες θα είναι οι μορφές τους, μπορούμε να ελέγξουμε πόσους δεσμούς έχει κάθε σωματίδιο», λέει ο Macfarlane. «Ο βαθμός ευκαμψίας του πολυμερούς υπαγορεύει πόσους δεσμούς σχηματίζει. Μας επιτρέπει να μειώσουμε τους δεσμούς ανά σωματίδιο και να δημιουργήσουμε πλέγματα που δεν έχουμε ξαναδεί.»

Στο παρελθόν, οι υλικοί επιστήμονες επιχείρησαν λεπτομερή ευθυγράμμιση ή αλλαγή του σχήματος των σωματιδίων για να ρυθμίσουν τις συνδέσεις. Εδώ, η παραίτηση από μέρος της ακαμψίας έφερε τελικά περισσότερη τάξη. Σύμφωνα με τους ερευνητές, η προσέγγιση θα μπορούσε να οδηγήσει σε υλικά υψηλών επιδόσεων για εφαρμογές σε φωτονική, χημική κατάλυση, ιατρική και γεωργία. Σε κλίμακα, η λιγότερο πυκνή συσκευασία των νανοσωματιδίων σημαίνει υλικά που προσαρμόζονται ευκολότερα — «εκεί βρίσκονται πολλές από τις ενδιαφέρουσες εφαρμογές», αναφέρει ο Macfarlane.

Επόμενο βήμα είναι η δοκιμή άλλων υλικών σωματιδίων και συνδυασμών συνδετών, καθώς και η αξιολόγηση των υλικών σε πραγματικές συνθήκες. «Αν ξέρεις ποια είναι τα δομικά σου στοιχεία και πώς είναι διατεταγμένα, μπορείς να εξηγήσεις τις ιδιότητες των υλικών», καταλήγει ο Macfarlane. «Ο έλεγχος αυτού είναι ο τρόπος για να φτιάξεις υλικά με νέες ιδιότητες.»

Πηγή: share.google.