Нанокубы совсем не детская игра. Ученые Института Вейцмана использовали их для создания удивительно похожих на пряжу нитей: они показали, что при правильных условиях наночастицы кубической формы способны выстраиваться в извилистые спиральные структуры. Их результаты, показывающие, как наноматериалы могут самостоятельно собираться в неожиданно красивые и сложные структуры, недавно были опубликованы в журнале Science.
Доктор. Рафал Клейн и научный сотрудник доктор Гурвиндер Сингх из отдела органической химии Института использовали нанокубы из материала оксида железа, называемого магнетитом. Как следует из названия, этот материал обладает естественными магнитными свойствами: его можно найти повсюду, в том числе внутри бактерий, которые используют его для восприятия магнитного поля Земли.
Магнетизм - это лишь одна из сил, действующих на наночастицы. Вместе с исследовательской группой профессора Петра Крала из Университета Иллинойса в Чикаго Клайн и Сингх разработали теоретические модели, чтобы понять, как различные силы могут толкать и притягивать крошечные кусочки магнетита в различные образования. «Разные типы сил заставляют наночастицы выстраиваться по-разному», - говорит Клейн. «Они могут конкурировать друг с другом, поэтому идея состоит в том, чтобы найти баланс конкурирующих сил, которые могут вызвать самосборку частиц в новые материалы». Модели предполагали, что форма наночастиц важна - только кубы могут обеспечить надлежащий баланс сил, необходимых для стягивания в спиральные образования.
Исследователи обнаружили, что двумя основными конкурирующими силами являются магнетизм и сила Ван-дер-Ваальса. Магнетизм заставляет магнитные частицы как притягиваться, так и отталкиваться друг от друга, побуждая кубические частицы выравниваться по своим углам. Силы Ван-дер-Ваальса, с другой стороны, притягивают стороны кубов ближе друг к другу, заставляя их выстраиваться в ряд. Когда эти силы действуют вместе на крошечные кубики, результатом является ступенчатое выравнивание, которое создает спиральные структуры.
В своих экспериментах ученые подвергали относительно высокие концентрации нанокубов магнетита, помещенных в раствор, воздействию магнитного поля. Длинные спиральные цепочки, похожие на веревки, которые они получили после выпаривания раствора, оказались на удивление однородными. Они повторили эксперимент с наночастицами другой формы, но, как и предсказывалось, только кубы имели правильную физическую форму для выстраивания в спираль. Клейн и Сингх также обнаружили, что они могут получить хиральные нити, накрученные в одном направлении, с очень высокой концентрацией частиц, в которых несколько нитей собираются близко друг к другу. Видимо, конкурирующие силы могут «принимать во внимание» наиболее эффективный способ укладки нитей в пространство.
Хотя нити нанокубов выглядят достаточно красиво, чтобы их можно было вязать, Клайн говорит, что еще слишком рано думать о коммерческом применении. Непосредственная ценность работы, по его словам, заключается в том, что она доказала фундаментальный принцип наномасштабной самосборки. «Хотя магнетит был хорошо изучен, а также его форма наночастиц - в течение многих десятилетий, никто раньше не наблюдал эти структуры», - говорит Клейн. «Только когда мы поймем, как различные физические силы воздействуют на наночастицы, мы сможем начать применять полученные знания для таких целей, как изготовление ранее неизвестных самособирающихся материалов».