Nanokryształy metali naśladują naturę
Kluczem do zrozumienia obserwacji jest pojęcie znane jako emergence. Opisuje ono sytuację, w której z prostych, oddziałujących ze sobą elementów rodzą się nowe, nieoczekiwane właściwości całego systemu. W przyrodzie widzimy to na każdym kroku: pojedyncza komórka nie jest świadoma, ale miliardy zorganizowanych w mózg tworzą umysł. Podobnie cząsteczki wody, same w sobie proste, układają się w nieskończenie różnorodne płatki śniegu. W świecie nanotechnologii zespół pod kierunkiem Joelin A. Agyei-Mensah zaobserwował powstawanie pentagonalnych, śnieżynkowych struktur podczas gwałtownej reakcji chemicznej. To pierwszy tak wyraźny dowód, że mechanizmy samoorganizacji, znane z biologii czy krystalografii, są aktywne również w skali nano.
Po raz pierwszy demonstrujemy, że zjawisko wyłaniania się, obserwowane w płatkach śniegu, odgrywa kluczową rolę w nanotechnologii – wyjaśnia Miguel José Yacamán
Dla nauki o materiałach to istotna wskazówka. Dotychczas nieprzewidywalność zachowania nanocząstek była poważnym wyzwaniem dla inżynierów próbujących projektować materiały o precyzyjnych parametrach.
Błyskawiczna synteza w 10 sekund
Metoda, która doprowadziła do tego odkrycia, jest zaskakująco bezpośrednia. Badacze rozgrzewali krzemowy chip do 280 stopni Celsjusza, a następnie wprowadzali do układu sole metali i inne odczynniki. W ciągu zaledwie kilkunastu sekund na podłożu wyrastały kryształy o rozmiarach od jednego nanometra do kilku mikrometrów. Najciekawsza okazała się korelacja między rozmiarem a złożonością formy. Drobniejsze cząstki przybierały regularne, proste kształty. Natomiast gdy tylko osiągnęły większe rozmiary, zaczynały rozwijać skomplikowane struktury z pięciokątną symetrią, wklęsłymi powierzchniami i pustymi przestrzeniami wewnątrz – niczym prawdziwe, mroźne dzieła sztuki.
Ważnym przykładem wyłaniania się jest rozmnażanie człowieka. Kiedy zarodek zaczyna rosnąć, podczas samoorganizacji obecnych jest wiele reakcji chemicznych i zjawisk fizycznych, a wynikiem jest różnorodność. Żaden człowiek nie jest taki sam, tak jak płatki śniegu, ponieważ samoorganizacja może podążać różnymi ścieżkami – dodaje Yacamán
Ta nieunikniona różnorodność, która dotąd stanowiła problem przy projektowaniu jednolitych materiałów, teraz może zostać uznana za naturalną cechę procesu i wykorzystana.
Klucz do kontroli nad nanomateriałami
Odkrycie zespołu z NAU nie daje prostych recept na precyzyjne sterowanie kształtem każdej nanocząstki. Raczej wskazuje nowy kierunek myślenia. Zamiast próbować siłowo poskramiać nieprzewidywalność nanoświata, możemy zacząć ją rozumieć i wykorzystywać zasady fizyki systemów złożonych. To podejście może pomóc rozwiązać podstawowy dylemat nanotechnologii: jak wytwarzać materiały o powtarzalnych, pożądanych właściwościach. Yacamán wyjaśnia, że wprowadzenie tej perspektywy może pomóc naukowcom lepiej kontrolować syntezę i poszerzać zakres zastosowań nanomateriałów. Jednocześnie uczciwie zaznacza ograniczenia – systemy złożone, jak pogoda czy rynki finansowe, są z natury trudne do długoterminowego prognozowania.
Czytaj też: Nowy materiał magnetyczny już tu jest. Na nowo definiuje projektowanie pamięci i komputerów kwantowych
Obserwacja tego fenomenu w nanoskali to mocny argument za tym, że przyroda w różnych skalach operuje podobnymi zasadami. Metalowe płatki śniegu są tego namacalnym dowodem. Dla przyszłości materiałoznawstwa otwiera to drzwi do bardziej intuicyjnego projektowania, inspirowanego procesami, które obserwujemy gołym okiem. Jak na razie to krok w stronę głębszego zrozumienia, które z czasem może zaowocować materiałami o unikalnych cechach, powstającymi w sposób bardziej przewidywalny. Lub przynajmniej kontrolowanie nieprzewidywalny.