Нанокубики — совсем не детская игра. Ученые институт Вэйцмана использовали их для создания удивительных прядей, подобных пряже. Они показали, что в соответствующих условиях наночастицы кубической формы способны выстраиваться в спиральные структуры. Результаты исследования, показывающие, как наноматериалы могут самособираться в неожиданно красивые и сложные структуры, были недавно опубликованы в академическом журнале «Наука».
Доктор Рэфэл Клэджн и постдокторант Гервиндер Сингх с кафедры органической химии института использовали нанокубики оксида железа, называемого магнетитом. Как следует из названия, этот материал обладает естественными магнитными свойствами. Этот факт установлен повсеместно, в том числе минерал найден внутри бактерий, которые используют его, чтобы ощутить магнитное поле Земли.
Магнетизм — только одна из сил, воздействующих на наночастицы. Вместе с исследовательской группой профессора Петра Крала из университета Иллинойса, Чикаго, Клэджн и Сингх разработали теоретические модели, чтобы понять, как различные силы могут толкать и тянуть крошечные кусочки магнетита, образуя различные формации. «Различные типы сил заставляют наночастицы выравниваться по-разному, — говорит Клэджн. — Они могут конкурировать друг с другом. Таким образом, идея состоит в том, чтобы найти баланс конкурирующих сил, которые могут индуцировать самосборку частиц в новые материалы». Форма наночастиц важна – только кубы обеспечили бы надлежащее равновесие сил, необходимое для соединения в спиральные образования.
Исследователи обнаружили две основные конкурирующие силы — это магнетизм и силы Ван-дер-Ваальса. Магнетизм заставляет магнитные частицы и привлекать, и отталкивать друг друга, побуждая кубические частицы выравниваться в их углах. Силы Ван-дер-Ваальса, с другой стороны, тянут стороны кубов ближе друг к другу, заставляя их выстраиваться в ряд.
В своих экспериментах ученые поместили нанокубики с относительно высокой концентрацией магнетита в раствор под действием магнитного поля. Длинные, подобные канату, спиральные цепи, которые они получили после выпаривания раствора, были удивительно однородны. Эксперимент был проведен повторно с наночастицами других форм, но, как и предполагалось, только у кубов была правильная физическая форма, чтобы выстроиться в спирали. Очевидно, конкурирующие силы могут «учесть» наиболее эффективный способ упаковки прядей в пространстве.
Клэджн считает, что еще рано думать о коммерческом применении нанокубических прядей. Непосредственная ценность работы, по его мнению, заключается в том, что она доказала фундаментальный принцип наноразмерной самосборки. «Хотя магнетит хорошо изучен, никто не наблюдал эти структуры прежде, — говорит Клэджн. – Как только мы поймем, как различные физические силы действуют на наночастицы, мы сможем начать применять эти знания при изготовлении ранее не известных самособирающихся материалов».
Sergey