Маленькие частицы могут собираться в упорядоченный материал, даже если соединяющие их молекулы свободно гнутся. В новом опыте мягкие оболочки перестраивались при сближении частиц и направляли контакты между ними. Чем легче оболочки меняли форму, тем меньше ближайших соседей оказывалось у частицы. Так получили более открытые структуры, чем можно ожидать от плотной упаковки жёстких шариков.
Работа опубликована 2 ноября в Nature Materials. Исследователи MIT и их коллеги объединили эксперименты с компьютерным моделированием. Их результат относится к устройству собранного материала; готовый фильтр, лекарство или более эффективный катализатор в этой работе не показаны.
Зачем управлять соседями
Материал определяется не только составом отдельных частиц. Важно, как они расположены: сколько соседей окружает каждую, где находятся промежутки и в каких направлениях возникают связи. Даже из похожих строительных блоков можно получить разные структуры.
У наночастиц для этого есть оболочка из молекулярных цепочек. Такие цепочки, закреплённые на поверхности, называют лигандами. В изученной системе они гибкие, а на их концах находятся электрические заряды. Концы с противоположными знаками притягиваются.
При сближении частиц цепочки изгибаются и перестраиваются в областях контакта. Направление связи поэтому возникает в ходе сборки. Исследователям не нужно заранее делать каждую частицу угловатой или размечать на ней жёстко закреплённые места соединения.
Гибкость задаёт структуру
В университетском сообщении авторы описывают два способа менять результат: размер самих частиц и длину молекулярных цепочек. Вместе они влияют на то, насколько свободно оболочка может перестраиваться. В проверенной системе более податливые оболочки приводили к уменьшению числа ближайших соседей.
Это число в материаловедении называют координационным. Оно описывает окружение частицы, а не число электронов или химических связей отдельного атома. Здесь речь идёт о сборке целых наночастиц в более крупную структуру.
Обычная модель твёрдых шариков помогает представить плотную укладку. Но у настоящей частицы в этом опыте есть мягкое, взаимодействующее окружение. Если считать только размер твёрдого ядра, можно пропустить важную часть механизма: оболочка сама меняет расположение связей.
Что теперь можно проверять
Такой подход расширяет набор структур, которые удаётся создавать из наночастиц. Для будущего применения исследователям потребуется связать конкретную архитектуру с полезным свойством: например, с прохождением света или доступностью активной поверхности. Возможность собрать необычную структуру сама по себе ещё не показывает, насколько хорошо будет работать устройство.
Авторская условная схема EASY: гибкие цепочки сближают противоположно заряженные концы. Масштаб, число цепочек и их расположение не воспроизводят эксперимент.
