Материалы, изготовленные из наночастиц, обещают множество применений, от улучшенного производства солнечной энергии до совершенных сенсорных экранов. Задача создания этих чудо-материалов состоит в том, чтобы организовать наночастицы в упорядоченном порядке.
Наночастицы магнетита, самого распространенного магнитного материала на Земле, обнаруживаются в живых организмах от бактерий до птиц. Нанокристаллы магнетита самособираются в организме в тонкие стрелки компаса, которые помогают ему ориентироваться.
Сотрудничая с нанохимиками во главе с Рафалом Кляйном из Института науки Вейцмана в Израиле, которые обнаружили, что нанокубы магнетита могут самособираться в спиральные суперструктуры при определенных условиях, химик-теоретик из Иллинойского университета в Чикаго Петр Крал и его студенты смоделировали явление и объяснил условия, при которых оно может произойти. Совместное исследование размещено в Интернете в Science Express перед публикацией в выпуске журнала Science от 5 сентября.
Исследователи Вейцмана растворили нанокристаллы и подвергли раствор воздействию внешнего магнитного поля. По мере испарения раствора образовывались спиральные цепочки наночастиц. Удивительно, но спиральные спирали оказались хиральными, то есть либо левосторонними, либо правозакрученными, несмотря на то, что сами наночастицы не являются хиральными. Плотно упакованные сборки спиралей, как правило, принимают одну и ту же направленность.
Команда Крала UIC смоделировала самосборку, чтобы определить, как образуются спирали в экспериментах их сотрудников и почему спирали обладают хиральностью.
Они обнаружили, что самосборка в хиральные спирали является результатом действия на них конкурирующих сил - зеемановской силы от внешнего магнитного поля, диполь-дипольной магнитной силы, магнитоанизотропной направленной силы, слабо притягивающей ван-дер-силы. силы Ваальса и другие. Химия лигандов наночастиц, растворителя и температуры также могут играть роль.
В присутствии внешнего магнитного поля суперпарамагнитные нанокубы, обладающие случайным магнитным полем и способные переворачиваться при изменении температуры, стали крошечными магнитами с различной симметрией конкурирующих сил, действующих между ними. В результате, когда два куба стоят лицом к лицу, они имеют тенденцию наклоняться друг к другу, образуя небольшой угол вправо или влево - зародыш хиральной спирали, так как больше нанокубов выстраивается в линию с первыми двумя..
В анализе Крала использовался компьютерный алгоритм Монте-Карло, который опирается на повторную случайную выборку, многократный запуск симуляций.
"Нам пришлось написать новый, эффективный компьютерный код Монте-Карло, описывающий все необходимые термины, все значения, а затем объяснить, как происходит крайне необычное поведение, которое наблюдал Клейн - самосборка спиралей", - сказал Крал.
Гурвиндер Сингх из Института Вейцмана является первым автором статьи. Элайджа Гельман из Института Вейцмана и Генри Чен, Артем Баскин и Никита Репнин из UIC являются соавторами исследования.
Работа выполнена при поддержке гранта Израильского научного фонда 1463/11, Центра супрамолекулярных архитектур им. Исследовательский грант 1309765 и грант Фонда нефтяных исследований Американского химического общества 53062-ND6.