Дослідники Массачусетського технологічного інституту (MIT) та Університету Делавера запропонували новий спосіб керувати тим, як наночастинки збираються в більші структури. Як повідомляє видання Interesting Engineering, команда використала надгнучкі полімерні з’єднувачі замість традиційних жорстких, що дозволило створювати високоефективні матеріали для фотоніки, хімічного каталізу, медицини, сільського господарства та інших сфер.
Роберт Макфарлейн (Rob Macfarlane), професор металургії кафедри матеріалознавства та інженерії MIT, називає цей підхід «прямою протилежністю» усталеним уявленням останніх двадцяти років у нанотехнологіях.
Як гнучкі зв’язки зламали 20-річне правило
Упродовж двох десятиліть у нанонауці домінувала думка, що для впорядкованої збірки наночастинок потрібні жорсткі молекулярні з’єднувачі — так звані ліганди. Вважалося, що гнучкі зв’язки призводять до хаотичних, «завалених» структур, які важко контролювати.
Команда MIT і Університету Делавера показала, що це не обов’язково так. Вони використали надгнучкі полімерні ланцюги з електрично зарядженими кінцями. Такі «руки» можуть вільно згинатися й розтягуватися, а протилежні заряди притягують наночастинки одна до одної.
Коли частинки зближуються, гнучкі з’єднувачі самі перебудовуються так, щоб зробити зв’язки максимально стабільними. Саме ця здатність до самоналаштування обмежує кількість сусідів, з якими може зв’язатися кожна наночастинка, і задає відкриту, а не надщільну структуру матеріалу.
За словами Макфарлейна, попередня «догма» полягала в тому, що ліганди мають бути жорсткими, а будь-яке відхилення руйнує збірку. Нова робота демонструє, що якщо зробити зв’язки максимально гнучкими, система теж може впорядковуватися — і не гірше, ніж у випадку з жорсткими з’єднувачами.
Чому наночастинки такі перспективні
Наночастинки — це об’єкти розміром до мільярдної частки метра. Їх можна точно «налаштовувати» за формою, розміром і складом, тому вони стали ідеальними будівельними блоками сучасної матеріалознавчої інженерії.
Такі частинки вже використовують у системах доставки ліків, елементах для зберігання енергії та інших високотехнологічних рішеннях. Однак перетворити окремі наночастинки на великі, функціональні надрешітки виявилося складно.
Стандартні методи збірки спираються на жорсткі ліганди, які щільно «упаковують» частинки. Це підходить для простих структур, але сильно обмежує фізичні властивості, які можна отримати. До того ж для кожного нового матеріалу доводиться розробляти свої жорсткі з’єднувачі — це дорого, крихко й погано масштабується.
Самоналаштовувані мережі з гнучких полімерів
Щоб обійти ці обмеження, команда вирішила зробити «зв’язки настільки гнучкими, щоб не мало значення, в якому напрямку вони спочатку спрямовані». Гнучкі полімерні ланцюги з зарядженими кінцями можуть змінювати конфігурацію вже в процесі збірки.
У міру того як наночастинки зближуються, ці ланцюги перегруповуються, щоб утворити найбільш енергетично вигідні зв’язки. Так формується мережа, у якій кожна частинка має обмежену кількість сусідів, а структура залишається відкритою, а не надщільною.
Дослідники можуть керувати будовою такої мережі, змінюючи розміри наночастинок, довжину полімерних ланцюгів або загальний електричний заряд системи. Це дає змогу практично «з нуля» задавати архітектуру майбутнього матеріалу.
У результаті команда отримала кристалічні решітки, яких раніше не спостерігали, — вони виникають завдяки природній деформації гнучких молекулярних з’єднувачів.
Нові можливості для фотоніки, каталізу та медицини
Зменшення щільності наночастинкових мереж відкриває важливі технологічні перспективи. Такі відкриті структури можуть:
- точно керувати проходженням і розсіюванням світла для фотоніки;
- створювати пористі каркаси для ефективного хімічного каталізу;
- слугувати основою «розумних» гідрогелів для цільової доставки ліків.
На думку авторів, цей підхід поєднує теоретичні уявлення про контроль над наночастинками з практичними можливостями створення реальних матеріалів. Відмова від жорсткості на користь гнучкості дає матеріалознавцям масштабований «кресленик» для проєктування нових структур.
Результати роботи опубліковані в журналі Nature Materials. А коротке відео з поясненням підходу можна переглянути за посиланням на платформі YouTube.