Наноразмерные блоки спонтанно собираются в воде, образуя крошечные плавающие шахматные доски

Важные новости

Наноразмерные блоки спонтанно собирать в воде крошечные плавающие шахматные доски

СЭМ-изображение шахматной доски, созданной в результате самосборки нанокубов. Масштабная линейка = 500 нм, вставка = 100 нм. Кредит: Ван и др.

Исследователям удалось создать наноразмерные кубы, которые при падении на поверхность воды самопроизвольно образуют двумерный шахматный узор. Работа, опубликованная в журнале Nature Communications, представляет простой подход к созданию сложных наноструктур с помощью метода, называемого самосборкой.

«Это отличный способ получить материалы для самостоятельного строительства», — сказала соавтор исследования Андреа Тао, профессор кафедры химической и наноинженерии семьи Айсо Юфэн Ли в Калифорнийском университете в Сан-Диего. «Вам не обязательно идти в лабораторию нанопроизводства и делать все эти сложные и точные манипуляции».

Каждый нанокуб состоит из кристалла серебра со смесью гидрофобных (маслянистых) и гидрофильных (любящих воду) молекул, прикрепленных к поверхности. Когда суспензия этих нанокубов попадает на поверхность воды, они располагаются так, что соприкасаются своими угловыми краями. Такое расположение создает чередующийся узор из твердых кубов и пустых пространств, образуя шахматный узор.

Процесс самосборки определяется химией поверхности нанокубов. Высокая плотность гидрофобных молекул на поверхности сближает кубики, минимизируя их взаимодействие с водой. Между тем, длинные цепочки гидрофильных молекул вызывают достаточное отталкивание, чтобы создавать пустоты между кубиками, создавая шахматный узор.

Чтобы изготовить структуру, исследователи нанесли капли суспензии нанокубов на чашку Петри с водой. Полученную шахматную доску можно легко перенести на подложку, погрузив подложку в воду и медленно вынимая ее, позволяя наноструктуре покрыть ее.

Это исследование является результатом совместных усилий нескольких исследовательских групп, входящих в Центр науки и инженерии материалов Калифорнийского университета в Сан-Диего (MRSEC). В работе использовалось синергетическое сочетание вычислительных и экспериментальных методов. «Мы создали непрерывную петлю обратной связи между нашими вычислениями и экспериментами», — сказал Тао.

«Мы использовали компьютерное моделирование, чтобы помочь нам проектировать материалы на наноуровне и предсказывать, как они будут вести себя. Мы также использовали наши экспериментальные результаты в лаборатории для проверки моделирования, их точной настройки и построения лучшей модели.»

При разработке материала исследователи выбрали нанокубы кристаллов серебра благодаря опыту лаборатории Тао в их синтезе. Определение оптимального химического состава поверхности потребовало обширных вычислительных экспериментов, которыми руководил Гаурав Арья, профессор кафедры машиностроения и материаловедения Университета Дьюка и состарший автор исследования.

Моделирование определило, какие молекулы лучше всего прикрепляются к нанокубам, и предсказало, как кубики будут взаимодействовать и собираться на поверхности воды. Моделирование было итеративно уточнено с использованием экспериментальных данных, полученных в лаборатории Тао. Электронная микроскопия, проведенная соавтором исследования Алексом Франьо, профессором кафедры физики Калифорнийского университета в Сан-Диего, подтвердила образование желаемых структур шахматной доски.

Тао предполагает применение шахматной доски нанокубов в оптическое зондирование. «Такая наноструктура может интересным образом манипулировать светом», — объяснила она. «Пространства между кубами, особенно вблизи угловых краев, где кубы соединяются, могут действовать как крошечные горячие точки, которые фокусируют или улавливают свет. Это может быть полезно для создания новых типов оптических элементов, таких как нанофильтры или волноводы».

Исследователи планируют изучить оптические свойства шахматной доски в будущих исследованиях.

Дополнительная информация: Юфей Ван и др., Самостоятельная сборка шахматные узоры нанокристаллов посредством неспецифических взаимодействий, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-47572-2

Информация журнала: Nature Communications

Предоставлено Калифорнийским университетом в Сан-Диего

Новости сегодня

Последние новости