Блоки наноразмера самопроизвольно собираются в воде в виде крошечных плавучих шахматных досок
Исследователи разработали кубики наноразмера, которые самопроизвольно образуют двухмерный шахматный рисунок, когда их бросают на водную поверхность. Работа, опубликованная в журнале Nature Communications, представляет собой простой метод создания сложных наноструктур с помощью технологии, которая называется самосборкой.
«Это классный способ заставить материалы выстраиваться самостоятельно, — говорит один из старших авторов Андреа Тао, профессор факультета химического и наноинжиниринга семьи Айисо Юфан Ли при Калифорнийском университете в Сан-Диего. — Нет необходимости идти в лабораторию нанопроизводства и выполнять все эти сложные и высокоточные манипуляции».
Каждый нанокубик состоит из кристалла серебра с примесью гидрофобных и гидрофильных молекул, прикреплённых к его поверхности. Когда суспензию этих нанокубиков помещают на водную поверхность, они выстраиваются так, что касаются друг друга уголками. Такое расположение создаёт попеременный рисунок из твёрдых кубиков и свободных пространств, «шахматного порядка».
Этим процессом самосборки руководит поверхностная химия нанокубиков. Высокая плотность гидрофобных молекул на поверхности сталкивает кубики друг с другом, чтобы минимизировать их взаимодействие с водой. В то же время, длинные цепочки гидрофильных молекул создают отталкивающее действие, достаточное для того, чтобы создать между кубиками пустоты, образуя шахматный рисунок.
Чтобы создать данную структуру, исследователи нанесли капли с суспензией из нанокубиков на чашку Петри с водой. Получившуюся шахматную доску можно легко перенести на субстрат, окуная субстрат в воду и медленно вытаскивая его, позволяя наноструктуре покрыть поверхность.
Исследование стало результатом сотрудничества множества исследовательских групп, входящих в состав Научно-проектного центра материаловедения Калифорнийского университета в Сан-Диего. В работе применялась синергетическая комбинация вычислительных и экспериментальных методов.
«Мы выстроили контур постоянной обратной связи между нашими вычислениями и экспериментами, — говорит Тао. — Мы использовали компьютерную симуляцию, чтобы с её помощью разработать материалы наномасштаба и спрогнозировать, как они поведут себя. Мы также использовали результаты своих лабораторных экспериментов, чтобы подтвердить данные симуляций, произвести их тонкую настройку и выстроить улучшенную модель».
При разработке материала исследователи остановились на нано-кубиках из кристаллов серебра, поскольку лаборатория Тао специализируется на их синтезе. Для определения оптимальных химических параметров требовались интенсивные вычислительные эксперименты, которые проводились Гауравом Арайей, профессором факультета механического проектирования и материаловедения Университета Дьюка и одним из старших соавторов исследования. С помощью симуляции были выявлены наилучшие молекулы для соединения с нано-кубиками и спрогнозировано то, каким образом кубики будут взаимодействовать и выстраиваться на водной поверхности. Симуляции многократно усовершенствовались, используя экспериментальные данные, полученные от лаборатории Тао. Данные электронной микроскопии, проведённой в лаборатории одного из соавторов исследования Алекса Франьо, профессора факультета физики Калифорнийского университета в Сан-Диего, подтвердили образование искомых шахматных структур.
Тао предполагает, что шахматный рисунок из нано-кубиков может быть использован в оптических сенсорах.
«Такая наноструктура может интересными способами манипулировать светом», — объясняет она. «Промежутки между кубиками, особенно рядом с уголками, где кубики соприкасаются, могут выступать в роли крошечных бликов, которые фокусируют или захватывают свет. Это может быть полезным при создании новых типов оптических элементов, таких как наномасштабные фильтры или волноводы».
Исследователи планируют изучить оптические свойства шахматных структур в дальнейших исследованиях.
Источники:
Материалы предоставлены Калифорнийским университетом в Сан-Диего. Оригинал статьи написан Лизел Лабиос.
Yufei Wang, Yilong Zhou, Quanpeng Yang, Rourav Basak, Yu Xie, Dong Le, Alexander D. Fuqua, Wade Shipley, Zachary Yam, Alex Frano, Gaurav Arya, Andrea R. Tao. Self-assembly of nanocrystal checkerboard patterns via non-specific interactions. Nature Communications, 2024.