Точеная роза, клумба из фиалок и причудливые цветы орхидей - хоть они и выглядят так, но эти наросты не растения, а сложные нанокристаллы. Они были выращены американскими исследователями путем сложных манипуляций с выращиванием кристаллов. Просто изменяя температуру, рН и уровень углекислого газа в воздухе, они обманом придавали наноструктурам желаемую форму. Это наглядно демонстрирует возможности наноконструкции, которые открываются, когда вы позволяете процессам самоорганизации работать на вас таким образом», - сообщают ученые в журнале «Наука».
«Разнообразие форм и узоров, создаваемых природой, больших и малых, веками очаровывало художников и ученых», - объясняют Вим Нордуин из Гарвардского университета в Кембридже и его коллеги. За многими особенностями, такими как цвет, смачиваемость или механическое поведение натуральных продуктов, стоят иерархически структурированные наноструктуры. Если бы их можно было сделать искусственно и на заказ, это могло бы улучшить и трансформировать многочисленные технологии - от катализа до оптики и статики, - говорят исследователи.
Репетиторство на природе
До сих пор, однако, только частично было возможно специально производить требуемые наноструктуры. Потому что обычные методы строительства не работают в наномасштабе или слишком сложны. Поэтому во многих подходах используется тенденция некоторых веществ к самосборке в определенные формы из-за их химических свойств. Однако контроль над этими процессами самоорганизации по-прежнему отсутствует: «Формы, возникающие в ходе этих процессов, часто довольно неожиданны и лишь в редких случаях могут быть специально предсказаны и вызваны», - констатируют Ноордуин и его коллеги. Одна из причин этого заключается в том, что часто основное внимание уделялось влиянию на начальные условия этих реакций.
Но взгляд на природу показывает, что многие сложные формы возникают из-за того, что окружающая их среда динамически менялась в процессе роста. Например, многие известковые раковины морских организмов имеют резкие изменения в своем рисунке и структуре скелета, вызванные изменениями в химическом составе воды. Именно химические градиенты определяют форму колоний бактерий и даже наших собственных эмбрионов, объясняют исследователи.
Широкие листья и ребра из-за большего количества CO2
«Нашим исследованием мы хотели продемонстрировать, что можно сделать, просто целенаправленно изменив химические и физические условия», - объясняет Нордуин. В качестве материала для своих экспериментов они выбрали кристаллические комплексы карбоната бария и силикатов (BaCO3-SiO2). Они образуются при растворении хлорида бария и силиката натрия в воде с последующим введением углекислого газа. Сначала осаждаются кристаллы карбоната бария. Это снижает рН в непосредственной близости от них, останавливая реакцию и вместо этого начиная откладывать силикат. Это, в свою очередь, приводит к тому, что pH снова повышается и снова начинается отложение карбонатов. Постепенно растет структура чередующихся слоев этих молекул.
«Эти кристаллы растут спонтанно, но если вы хотите повлиять на них, вы можете просто изменить условия реакции и контролировать форму, в которой растут эти кристаллы», - объясняет Нордуин. Если, например, концентрацию углекислого газа увеличивают импульсами, в кристалле образуются гребнеобразные утолщения. Таким же образом можно производить и широкие листы, используемые в нужный момент. Исследователи контролировали направление роста структур с помощью градиента pH и, например, создавали изогнутые и скрученные формы, изменяя градиенты.
Посредством различных комбинаций этих манипуляций были созданы даже сложные разветвленные и скрученные формы цветов. Однако они настолько малы, что их можно увидеть только с помощью сканирующего электронного микроскопа. Однако затем увеличение показывает, насколько удивительно похожи эти наноструктуры в некоторых случаях на их природные модели.