Создание более эффективных материалов сводится к большему контролю над их структурой в минимально возможном масштабе. Одним из особенно эффективных способов добиться этого является использование наночастиц, которые имеют легко настраиваемую форму и размер и уже показали себя многообещающе в приложениях в энергетике, медицине и электронике.
Но процесс превращения наночастиц в новые полезные материалы затруднен из-за сложности контроля количества и направления связей между каждой частицей и ее соседями. Исследователи пытались изменить форму частиц или точно выровнять между ними жесткие соединительные цепи, но оба этих метода ограничивают структуры материала, которые могут формироваться наночастицы, и их трудно масштабировать.
Команда, в которую входят исследователи из Массачусетского технологического института, использует другой подход. Исследователи разработали настраиваемый способ использования сверхгибких молекул-соединителей, которые регулируют упаковку сетей наночастиц, намеренно деформируясь в зависимости от окружающей их среды. В статье, опубликованной сегодня в журнале Nature Materials, исследователи показали, как гибкость разъема и электрические заряды могут быть использованы для настройки структуры сети, и они использовали эту технику для создания новых видов материалов на основе наночастиц.
Этот подход может предложить более универсальный способ создания высокоэффективных материалов для фотоники, химического катализа, медицины, сельского хозяйства и многого другого.
«Люди интересуются сверхрешетками наночастиц из-за перспектив создания дизайнерских материалов, из которых можно будет больше сказать, в какие типы структур они действительно могут быть встроены», — говорит Роб Макфарлейн, профессор металлургии Ричарда П. Симмонса (1953) на факультете материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института. «Это новый подход к сборке наночастиц, который раньше не исследовался. Приятно иметь новый инструмент, который настолько противоречит здравому смыслу. Это полная противоположность тому, что было догмой в течение 20 лет: вам нужно сделать соединительные лиганды жесткими, и любое отклонение приводит к сбою сборки. Мы показали, что если просто довести его до противоположной крайности, он работает так же хорошо».
К Макфарлейну в статье присоединяются кандидат наук Массачусетского технологического института Николас Сбалби; аспирант Университета штата Делавэр Стивен Кроненбергер; студентка Массачусетского технологического института Хана Синдзава; Мэтью Йе, доктор философии ’26; и бывший профессор Университета Делавэра Арти Джаяраман.
Более гибкие структуры
Основная истина материаловедения заключается в том, что структура материала определяет его функцию.
«Это означает, что если вы знаете, из чего состоят ваши строительные блоки и как они устроены, вы можете объяснить, какими свойствами обладают материалы», — говорит Макфарлейн. «Таким образом можно создавать материалы, обладающие новыми свойствами».
Наночастицы дают ученым гибкий строительный блок для создания материалов с желаемыми свойствами, а отдельные наночастицы уже используются в таких разнообразных приложениях, как доставка лекарств, хранение энергии, вычисления и зондирование. Но собрать их в более крупные структуры оказалось непростой задачей из-за того, насколько плотно они имеют тенденцию собираться вместе.
Чтобы решить эту проблему, исследователи придают наночастицам разную форму, что меняет способ их соединения. Они также могут сделать липкими только определенные части поверхности частиц, чтобы они образовывали разные узоры.
«Проблема обоих этих подходов заключается в том, что их сложно реализовать синтетически, когда мы создаем частицы», — объясняет Макфарлейн. «Разрабатываемые методы определения липкости всегда индивидуальны: они работают для одного материала, одного размера и в одном состоянии. Это хорошо для изучения, но с ними мало что можно сделать».
Оба метода также требуют, чтобы соединительные молекулы, называемые лигандами, на поверхности наночастиц были жесткими, чтобы они оставались под определенными углами, необходимыми для поддержания желаемого исследователями образования, что еще больше ограничивает их функциональность.
В своем новом исследовании ученые хотели перевернуть этот подход с ног на голову.
«Мы подумали: «Давайте сделаем прямо противоположное: сделаем облигации настолько гибкими, что не имеет значения, в каком направлении они изначально указывают». Лиганды могут затем реорганизоваться по мере того, как частицы собираются вместе, и сама эта реорганизация ограничивает количество соседей, с которыми может связаться каждая частица», — говорит Макфарлейн.
Группа Макфарлейна потратила годы на создание способов получения различных видов частиц из привитых полимеров. Наночастицы в их новой системе имеют гибкие лиганды с электрически заряженными кончиками, некоторые из которых заряжены положительно, а другие – отрицательно. Противоположности притягиваются, поэтому лиганды изгибаются, соединяясь с противоположными зарядами.
«Идея состоит в том, что вместо того, чтобы определять конкретное направление, в котором будут возникать связи, с помощью сложных методов синтеза, мы просто сказали: «Связи будут настолько гибкими, насколько они хотят, и они будут спонтанно переходить к той валентности, которая позволит максимизировать стабильность связи», — говорит Макфарлейн.
В экспериментах, проведенных Сбалби, исследователи показали, что могут контролировать связи, изменяя размеры наночастиц и длины цепей лигандов. Они также использовали эту технику для сборки наночастиц в ранее невиданные кристаллические структуры.
«Без необходимости заранее определять, где соединяются частицы или какова их форма, мы можем контролировать количество связей, которые имеет каждая частица», — объясняет Макфарлейн. «Величина гибкости полимера определяет, сколько связей он имеет. Это позволяет нам уменьшить количество связей в каждой частице и создавать решетки, которые мы никогда раньше не видели».
Новый путь к персонализируемым материалам
Макфарлейн считает, что эта система является шагом на пути к выводу материалов на основе наночастиц из исследовательских лабораторий в мир.
«Мы в сообществе по сборке наночастиц говорим о полностью независимом контроле над тем, что представляет собой ваша частица и в какую сборку она входит», — говорит Макфарлейн. «Теоретически так и должно быть. На самом деле этого абсолютно не было».
В более широком смысле, исследователи говорят, что их подход устанавливает гибкость лигандов как новый путь к созданию материальных структур, которые можно настраивать в масштабе.
«Сверхрешетки наночастиц позволяют создавать дизайнерские материалы, строительные блоки которых обладают всевозможными уникальными свойствами», — говорит Макфарлейн. «Но простая упаковка этих наночастиц вместе ограничивает ваши приложения. Это дает возможность получить менее плотные образования наночастиц, и именно здесь находится множество интересных приложений».
Работу частично поддержали Национальный научный фонд, Министерство энергетики, Армия и ВМС США.
