Для создания более совершенных материалов необходимо научиться управлять их структурой на мельчайшем масштабе. Одним из действенных способов добиться этого считается применение наночастиц, обладающих легко настраиваемой формой и размером. Такие частицы уже демонстрируют перспективы в энергетике, медицине и электронике.
Однако превращение наночастиц в полезные материалы осложняется тем, что трудно контролировать число и направление связей между каждой частицей и её соседями. Исследователи пробовали менять форму частиц или точно выравнивать жёсткие соединительные цепочки между ними, но оба метода ограничивают возможные структуры и плохо поддаются масштабированию. Команда с участием специалистов Массачусетского технологического института (MIT) предложила иной подход.
Учёные разработали настраиваемый способ использования сверхгибких молекул-соединителей, которые регулируют упаковку сетей наночастиц за счёт намеренной деформации в зависимости от окружающей среды. В статье, опубликованной в журнале Nature Materials, они показали, как гибкость соединителей и электрические заряды позволяют настраивать структуру сети. С помощью этой методики были созданы новые виды материалов на основе наночастиц.
«Людей интересуют сверхрешётки наночастиц из-за обещания создавать материалы по заказу, где у вас больше влияния на то, какие структуры они могут образовать, — говорит Роб Макфарлейн, профессор металлургии имени Ричарда П. Симмонса (1953) на кафедре материаловедения и инженерии MIT. — Это новый подход в сборке наночастиц, который раньше не исследовали. Захватывающе иметь новый инструмент, который настолько неочевиден. Это полная противоположность тому, что было догмой 20 лет: что соединительные лиганды нужно делать жёсткими, а любое отклонение приводит к сбою сборки. Мы показали: если довести всё до противоположной крайности, это работает так же хорошо».
В экспериментах под руководством Николоса Сбалби исследователи показали, что могут управлять связями, меняя размеры наночастиц и длину цепочек лигандов. Методику также использовали для сборки наночастиц в ранее не встречавшиеся кристаллические структуры. «Гибкость полимера определяет, сколько связей у него есть. Это позволяет нам снизить число связей каждой частицы и создавать решётки, которых мы никогда не видели», — поясняет Макфарлейн.
По словам исследователей, их подход утверждает гибкость лигандов как новый путь к созданию структур материалов, которые можно настраивать в масштабе. «Просто плотная упаковка этих наночастиц вместе ограничивает ваши применения. Это даёт способ получать менее плотные образования наночастиц, а именно там находится много интересных применений», — отмечает Макфарлейн. Работа частично поддержана Национальным научным фондом, Министерством энергетики, армией и флотом США, а также выполнена с использованием оборудования MIT.nano.