Meget bøjelige forbindelser kan hjælpe nanopartikler med at bygge mere åbne strukturer. Det viser et nyt studie offentliggjort i Nature Materials den 2. november. Forskerne bruger molekylekæder på partiklernes overflade, som kan omorganisere sig, når partiklerne samles, frem for på forhånd at låse alle forbindelser fast i bestemte retninger.

Arbejdet kombinerer forsøg og simuleringer og gør kædernes fleksibilitet til en ekstra indstillingsmulighed i materialedesign. Målet er bedre kontrol over, hvor mange naboer en partikel forbinder sig med. Det er et grundforskningsresultat om materialers opbygning; en færdig komponent med dokumenteret bedre ydeevne er ikke præsenteret.

Byggeklodserne er kun halvdelen af opskriften

Et materiale bestemmes både af sine bestanddele og af deres indbyrdes placering. Det samme sæt byggeklodser kan i princippet give forskellige egenskaber, hvis de samles på forskellige måder. Derfor handler udviklingen af nye materialer også om at styre mellemrummene og forbindelserne mellem delene.

Nanopartikler er interessante som byggeklodser, fordi forskere kan ændre deres størrelse og overflade. Men tiltrækning mellem mange partikler kan føre til tætte pakninger. Vil man have et mere åbent gitter, bliver det nødvendigt at påvirke, hvordan hver partikel møder sine naboer, så samlingen ikke blot ender med flest mulige tætte kontakter.

En almindelig strategi er at give partiklerne en bestemt form eller gøre udvalgte områder på overfladen mere tilbøjelige til at binde. Det svarer til at placere forbindelsespunkter på byggeklodsen. Sådan kontrol kan være krævende at fremstille og kan binde opskriften til et bestemt system.

Bløde kæder finder selv forbindelserne

Holdet bag det nye studie undersøger en anden mulighed. Partiklerne er forsynet med fleksible ligander: molekylære kæder, som stikker ud fra overfladen og deltager i samlingen. Kædernes elektrisk ladede ender kan tiltrække ender med modsat ladning på andre partikler.

Når kæderne er tilstrækkeligt bevægelige, kan de samle sig langs kontaktfladerne mellem partiklerne. Dermed opstår et foretrukket antal naboforbindelser under selve samlingen. Forskerne kalder det spontan valens. Her betyder valens partiklens effektive antal forbindelser i netværket; det handler ikke om at ændre de enkelte atomers kemiske identitet.

Det centrale greb er altså at lade overfladelaget tilpasse sig omgivelserne. Hvor en stiv forbindelse holder en bestemt retning, kan en blød kæde bøje og omfordele sig. Det giver netværket en anden måde at organisere sig på, selv om byggeklodserne ikke på forhånd har særlige geometriske forbindelsespunkter.

Fleksibilitet bliver en indstilling

Forskerne varierede blandt andet partikelstørrelse og kædelængde for at påvirke samlingen. De viser, at større deformerbarhed af ligandlaget kan sænke antallet af nærmeste naboer. Resultatet er adgang til gitre med lavere tæthed og symmetri end forventet ud fra en simpel pakning af hårde kugler.

Studiets førsteforfatter er Nicholas Sbalbi fra MIT. Arbejdet omfatter også simuleringer udført af Stephen Kronenberger fra University of Delaware og er udviklet med blandt andre Robert Macfarlane og Arthi Jayaraman. Sammenkoblingen af beregninger og forsøg skal hjælpe med at forklare, hvorfor de bløde overfladelag giver de observerede strukturer.

Mulighederne kræver næste trin

Åbnere strukturer kan være interessante, når materialer skal arbejde med lys eller stille overflader til rådighed for kemiske processer. MIT peger blandt andet på fotonik og katalyse som mulige anvendelsesområder. Men et anvendelsesområde er ikke det samme som en allerede valideret teknologi.

Det videre arbejde er at forbinde den nye strukturelle kontrol med konkrete egenskaber og praktiske krav. Et brugbart materiale skal ikke kun kunne samles i den ønskede form; det skal også fungere under de forhold, hvor det skal bruges. Det rejser også et spørgsmål om, hvor bredt princippet kan overføres: En opskrift, der styrer samlingen i ét partikelsystem, skal efterprøves, før den kan bruges som en generel fremstillingsmetode med andre materialer. Det nye studie udvider først og fremmest værktøjskassen til at vælge selve formen.

Kilder og videre læsning

Har du fundet en fejl? Læs om rettelser.