Playdough и Lego - одни из самых популярных конструкторов для детей. Но что бы вы могли использовать, если бы хотели создать что-то действительно маленькое - структуру меньше толщины человеческого волоса?
Оказывается, как обнаружила группа химиков, этого можно добиться, создавая частицы, которые имеют черты как пластилина, так и Lego.
Эти «пятнистые частицы», описанные в последнем выпуске журнала Nature, составляют 1/200th ширины человеческого волоса и могут образовывать бесконечные структуры из горстки из основных частей. И в отличие от своих более крупных собратьев, эти частицы могут собираться самостоятельно.
Представьте, что вы хотите построить замок, но вместо того, чтобы собирать кирпичи вручную и терпеливо соединять их один за другим, вы просто встряхиваете коробку с деталями, чтобы они волшебным образом соединялись друг с другом, образуя полноценный Замок», - говорит Стефано Саканна, доцент химического факультета Нью-Йоркского университета и один из создателей. «Эти умные частицы представляют собой важный шаг вперед для реализации самособирающихся новых материалов и микромашин».
Этот процесс - самосборка предопределенных микроархитектур - подобен тому, как атомарные кристаллы самособираются из определенной смеси атомарных строительных блоков.
«В природе чрезвычайно точные структуры, такие как кристаллы, плавно вырастают из случайных супов атомов», - объясняет Саканна. «Используя аналогичные принципы, мы можем создавать чрезвычайно точную микроархитектуру без вмешательства человека».
«Коллоидная самосборка может произвести революцию в 3D-печати», - добавляет он. «Это может быть достигнуто не только за счет дальнейшего уменьшения размера печатных архитектур, но и за счет возможности «печатать» функциональные архитектуры. Допустим, вы хотите напечатать модель автомобиля - используя коллоидную самосборку, вы можете напечатать автомобиль. это доля миллиметра, и когда-нибудь он действительно может работать!"
Для ученых, однако, в настоящее время миниатюризация представляет собой серьезную проблему.
Прямое манипулирование «строительными кирпичиками», которые в 10 или даже 100 раз меньше, чем человеческая клетка, затруднено. Более эффективный подход - воспроизвести то, что Саканна называет «производственной технологией» природы: самосборку. Это, однако, требует способности проектировать и производить строительные блоки, которые знают, что делать и куда идти.
Технология, разработанная в лаборатории Саканны, позволяет создавать такие микроскопические строительные блоки и наделять их бортовой инструкцией, в которой рассказывается, как соединяться с соседними частицами.
«Эти частицы помогут нам понять - и позволят имитировать - механизмы самосборки, которые природа использует для создания сложности и функциональности из простых строительных блоков», - говорит он.
Саканна и его коллега Ги-Ра Йи, профессор Школы химического машиностроения Университета Сунгкьюнгван (SKKU) в Сувоне, Южная Корея, вместе с аспирантами Нью-Йоркского университета Чже Гонгом и Теодором Хюкелем создали эти неоднородные частицы с помощью новая синтетическая методология, называемая «коллоидным синтезом», которая мало чем отличается от того, как разные кусочки пластилина соединяются вместе.
В то время как пластилин включает в себя сдавливание глины разных цветов, коллоидное плавление объединяет различные химические функции для создания многофункциональных, а не разноцветных частиц, которые также содержат инструкции по самостоятельной сборке. Этот процесс достигается путем развертывания программного обеспечения под названием «Surface Evolver», которое представляет собой пакет моделирования, аналогичный тому, который инженеры-программисты используют для проектирования зданий.
«Программное обеспечение позволяет нам предсказать, как будет развиваться первоначальный кластер при «сжатии», и как будет выглядеть получившаяся многофункциональная пятнистая частица», - отмечает Саканна.
Исследование было поддержано премией CAREER Award от Национального научного фонда.