Новая модель облегчает предсказание того, как формируются наночастицы, и дает подсказки о том, как можно контролировать этот процесс.
Наночастицы являются универсальными предвестниками надежды: они могут служить активными медицинскими агентами или контрастными средами, а также электронными носителями информации или армирующими элементами для конструкционных материалов. Исследователи из Института коллоидов и интерфейсов Макса Планка в Потсдам-Гольме и из Технологического университета Эйндовена в Нидерландах внесли фундаментальный вклад в то, чтобы такие наночастицы можно было использовать для различных приложений. Изучая наночастицы магнетита, они разработали модель того, как формируются кристаллические частицы материала в зависимости от их физических свойств. Наночастицы магнетита используются некоторыми бактериями для ориентации вдоль силовых линий магнитного поля Земли. Понимание того, как они растут, может помочь в создании наночастиц с желаемыми свойствами.
Материальный дизайн во многом напоминает воспитание детей: многие свойства предопределены природой, другие приобретаются в процессе воспитания или обучения, но главное происходит с самого начала. Команда, возглавляемая Дэмиеном Фавром, руководителем исследовательской группы в Институте коллоидов и интерфейсов Макса Планка, изучила питомник наночастиц магнетита.
Частицы магнетита, образующие тонкие иглы, служат компасом для некоторых морских бактерий, когда они ориентируются вдоль магнитного поля Земли в поисках наилучших условий для жизни. Однако синтетические частицы магнетита также используются в чернилах, магнитных жидкостях и медицинских контрастных веществах, а также в качестве элементов памяти в носителях данных. С помощью своих наблюдений за наночастицами магнетита исследователи из Потсдама расширили устоявшуюся теорию образования кристаллов вещества из раствора.
Классическая модель не может объяснить образование многих кристаллов
В перенасыщенном растворе несколько атомов и молекул спонтанно, т. е. более или менее случайно, агломерируются в зародыш, который затем растет дальше. Согласно классическому представлению о росте кристаллов, затравка захватывает атомы или молекулы из раствора. В этот момент может образоваться либо непосредственно совершенно упорядоченный кристалл, либо сначала образуется аморфный и, таким образом, неупорядоченный конгломерат, который затем перестраивается в кристалл..
По какому из двух путей эволюционирует кристалл, зависит от того, какой из них имеет более низкий энергетический уровень - кристаллическая фаза или неупорядоченная. Определяющими свойствами здесь являются поверхностные энергии кристаллического и неупорядоченного вариантов, а также количество энергии, которое высвобождается при связывании атомов или молекул с той или иной формой. Высокая поверхностная энергия значительно увеличивает затраты энергии на рост данной фазы, а большой выход энергии из эволюционирующих связей снижает их.
«С годами появляется все больше признаков того, что многие минералы растут не в соответствии с этой моделью», - говорит Дэмиен Фавр. «Они, по-видимому, не захватывают ни отдельные атомы, ни молекулы во время своего образования, а вместо этого захватывают первичные частицы или кластеры размером до нескольких нанометров, которые образуются только временно». Это примерно то, что происходит, когда образуются кристаллы карбоната кальция и фосфата кальция, которые затвердевают кости или раковины моллюсков. Faivre и его команда теперь установили, что наночастицы магнетита также растут, поглощая маленькие первичные частицы размером всего два нанометра. Исследователи наблюдали это с помощью просвечивающего электронного микроскопа, работающего при температуре значительно ниже нуля, что позволяет отображать особенно мелкие структуры.
Стабильность первичных частиц становится решающим фактором
«Используя классическую модель, невозможно определить, образуются ли более крупные нанокристаллы непосредственно из мелких наночастиц или сначала образуется неупорядоченная фаза», - говорит Дамьен Фавр. Однако если вы хотите выращивать наночастицы, вы должны уметь ответить на этот вопрос. Поэтому он и его коллеги разработали новую модель (которая учитывает первичные частицы).
В новой модели стабильность наночастиц становится важным фактором - настолько важным, что даже может изменить предсказание классической модели. «Чем более стабильны первичные частицы, тем больше вероятность того, что непосредственно образуется кристаллическая структура», - объясняет Фавр. «Во многих случаях, когда согласно классической модели должна образовываться неупорядоченная фаза, наша модель приводит к непосредственному образованию кристалла». Именно так обстоит дело с магнетитом.
Исследование первичных частиц - следующий шаг
Вырастут ли кристаллы в соответствии с классической моделью или моделью, предложенной командой Дэмиена Фавра, зависит от того, участвуют ли в этом атомы и молекулы или мельчайшие первичные частицы.«Вы либо узнаете об этом из наблюдений, как в нашем случае, либо предвидите это с помощью физических свойств материала», - объясняет Фавр.
Однако у исследователей все еще есть множество нерешенных вопросов, на которые нужно ответить, чтобы перейти от этих идей о питомнике наночастиц к инструкции по управлению их ростом. «На следующем этапе мы будем более точно исследовать первичные частицы и их свойства», - говорит Дэмиен Фавр. Если исследователи смогут контролировать стабильность частиц, ассимилируемых растущей наночастицей, они также могут получить средства воздействия на свойства наночастицы. Это почти не отличается от ситуации с маленькими, растущими детьми: то, какими они станут, зависит от того, как их кормят.