На протяжении 20 лет материаловеды придерживались одного принципа: чтобы собрать наночастицы в упорядоченную структуру, соединяющие их молекулы должны быть жёсткими. Считалось, что гибкие связи только мешают точному расположению частиц. Однако исследователи из Массачусетского технологического института решили проверить противоположный подход — и получили кристаллические структуры, которые раньше не удавалось создать.
Наночастицы — это чрезвычайно маленькие частицы вещества, из которых можно собирать материалы с заданными свойствами. Особый интерес представляют так называемые сверхрешётки: структуры, в которых наночастицы расположены в определённом порядке, подобно атомам в обычных кристаллах. Изменяя этот порядок, учёные рассчитывают получать материалы с новыми характеристиками.
Однако управлять расположением наночастиц непросто. Обычно они стремятся плотно упаковаться друг с другом, а для создания более сложных структур приходится тщательно подбирать форму частиц и расположение соединяющих их молекул.
В новом исследовании учёные использовали золотые наночастицы, покрытые гибкими цепочками распространённого полимера — полиэтиленгликоля. Концам этих цепочек придали положительные или отрицательные электрические заряды, чтобы частицы могли притягиваться и соединяться между собой.
Результат оказался неожиданным. Когда две наночастицы сближались, гибкие молекулярные цепочки собирались в месте их соприкосновения. В результате на соединение с одной соседней частицей расходовалась часть доступных цепочек, а возможностей для образования других связей оставалось меньше.
Именно это позволило управлять количеством соединений между частицами, не задавая заранее точное расположение каждой связи. Более того, оказалось, что число соединений можно регулировать, изменяя размеры наночастиц и длину полимерных цепочек. Например, частицы меньшего размера образовывали меньше связей с соседями.
Исследователи также использовали компьютерное моделирование, чтобы разобраться в происходящем. Полученные результаты подтвердили, что гибкость соединительных молекул может быть не препятствием, а инструментом управления структурой материала.
По словам одного из авторов исследования Роба Макфарлейна, новый подход прямо противоречит представлениям, господствовавшим последние два десятилетия. Раньше считалось, что соединительные молекулы необходимо делать жёсткими, поскольку любое отклонение от заданной формы нарушает сборку. Теперь же выяснилось, что переход к противоположной крайности тоже работает.
В ходе экспериментов учёным удалось получить несколько упорядоченных кристаллических структур, которые ранее не наблюдались. При этом исследователям не потребовалось заранее задавать форму частиц или точные места их соединения.
Особенно интересно, что новый метод позволяет создавать структуры, в которых частицы соединены с меньшим количеством соседей и не упакованы настолько плотно. Такие материалы потенциально проще подстраивать под конкретные задачи и производить в больших масштабах.
Авторы предполагают, что этот подход может оказаться полезным при разработке материалов для управления светом, ускорения химических реакций, медицины и сельского хозяйства. Однако пока речь идёт именно о перспективных возможностях: свойства полученных кристаллов и их практическую пользу ещё предстоит исследовать.
Следующим шагом станет проверка метода на других материалах и сочетаниях соединительных молекул. Если подход окажется универсальным, он даст материаловедам ещё один способ создавать структуры с заранее выбранными характеристиками — причём не за счёт более жёсткого контроля над наночастицами, а благодаря свободе их соединений.
Исследование опубликовано в научном журнале Nature Materials.
