БЕРКЛИ, Калифорния – Природа использовала самособирающиеся материалы для структур, измеряемых в нанометрах (миллиардных долях метра) в течение сотен миллионов лет – в качестве компонентов живых клеток – но человеческие попытки наномасштабного производства ограничивались в основном строительными конструкционными материалами несколько атомов или молекул одновременно. Это положение дел может быть на грани перемен.
Дуглас Джин из отдела материаловедения Национальной лаборатории имени Эрнеста Орландо-Лоуренса в Беркли, доцент кафедры химии Калифорнийского университета в Беркли, разработал общую методику создания нанокомпозитов, которая начинается с самосборки синтетических исходных материалов.
В начале двадцатого века химики начали уговаривать простые материалы собираться в микроскопические структуры, такие как слоистые пленки и жидкокристаллические фазы, но, как ни удивительно, этим структурам не хватало сложности природных композитов. Зубы, кости и раковины демонстрируют, как искусно природа собирает различные материалы в разнообразные полезные композиты на клеточном уровне. Кость, жесткая, но не хрупкая, состоит из слоев белка коллагена, включающего кристаллы неорганического фосфата кальция; те же материалы в другом соотношении, с несколькими процентами белка, дают самый твердый материал, производимый живыми существами, зубную эмаль.
Не белки, а полимеризуемые жидкие кристаллы образуют скелет новых уникальных композитов Дугласа Джина, матриц, содержащих стопки гексагонально упакованных трубок, диаметр и расстояние между которыми измеряется в нанометрах. Эти упорядоченные трубки содержат раствор химического предшественника, который может быть преобразован в твердый материал наполнителя после того, как структура жидкокристаллической матрицы зафиксируется на месте путем полимеризации.
В отличие от жидких кристаллов в цифровых дисплеях, которые изменяются в зависимости от температуры или электромагнитного поля, Gin использует лиотропные жидкие кристаллы; в дополнение к изменениям температуры они реагируют на добавки и изменения в химическом растворе, в который они погружаются.
«Дизайн уникальных лиотропных жидких кристаллов является ключом ко всему последующему», - говорит Джин. В основном он работает с химическими веществами, известными как полимеризуемые поверхностно-активные вещества. «Как хозяйственное мыло, они состоят из амфифильных мономеров» - молекул, каждая из которых имеет гидрофильный (водолюбивый) конец и гидрофобный (водобоязненный) конец. Когда амфифильные молекулы хозяйственного мыла образуют каплю в воде, все их водолюбивые головки смотрят наружу, а водобоязненные хвосты - внутрь, где они могут окружить комок жира или грязи. Техническое название мыльной капли - «мицелла». добавляя все больше и больше мономеров, сферические мицеллы могут самоорганизовываться и удлиняться в цилиндры.
Вместо того, чтобы погружать свои мономеры в воду, Гин уменьшает количество воды в своей системе и конструирует мономеры так, чтобы они образовывали «обратные» цилиндрические мицеллы с водолюбивыми головками внутрь. Тем временем боящиеся воды хвосты на внешней стороне труб ищут компании друг друга, и сами трубы складываются в шестиугольники, что является максимально плотной геометрической компоновкой. «После того, как гексагональная архитектура будет закреплена на месте, - говорит Гин, - мы сможем провести обычную синтетическо-органическую химию внутри каналов».
Используя два разных вида мономеров и два разных предшественника наполнителя, Джин и его коллеги уже продемонстрировали два новых самоорганизующихся нанокомпозита с уникальными свойствами. В одном из методов жидкокристаллическая матрица была сформирована в растворе, содержащем предшественник поли(пара-фениленвинилена) - светоизлучающего, электропроводящего полимера, чаще называемого ПФВ, - который заполняет трубки. Когда Джин увеличивает температуру, предшественник превращается в PPV внутри трубок, образуя то, что фактически представляет собой пучок длинных, дискретных, чрезвычайно тонких проводов. Его группа изготовила из этого материала однородно ориентированные пленки шириной до восьми сантиметров и толщиной всего от 30 до 100 микрон. Наноразмерные материалы часто демонстрируют заметно отличающиеся свойства от тех же материалов в массе, и PPV не является исключением: гексагональная матрица GinÕ PPV имеет более чем в два раза большую флуоресценцию на единицу объема, чем PPV в массе.
В родственной работе Джин изучает совершенно другую жидкокристаллическую систему, в которой используется другой мономер для построения каркаса шестиугольной трубы и другой прекурсор наполнителя, тетраэтилортосиликат, в растворе воды и этанола. Соль p;