Elastyczne ligandy zamiast sztywnych łączników. Badacze z MIT obalają 20-letni paradygmat nanotechnologii

Zdolność do precyzyjnego programowania struktur przestrzennych na poziomie nanometrycznym otwiera drogę do projektowania materiałów o niespotykanych dotąd właściwościach fizykochemicznych. Najnowsza praca opublikowana na łamach czasopisma Nature Materials przez zespół inżynierii materiałowej pod kierunkiem prof. Roba Macfarlane’a z Massachusetts Institute of Technology (MIT) wskazuje, że przyszłość zaawansowanych superkrystalicznych sieci nanocząstek może zależeć od technologii w fotonice, katalizie chemicznej, medycynie oraz rolnictwie.
Elastyczne ligandy zamiast sztywnych łączników. Badacze z MIT obalają 20-letni paradygmat nanotechnologii

Naukowcy dowiedli, że rezygnacja z ciasnego upakowania cząstek na rzecz luźniejszych, skalowalnych sieci pozwala na tworzenie funkcjonalnych architektur materiałowych, których wytworzenie tradycyjnymi metodami syntezy było dotąd niemożliwe.

Przez ostatnie dwie dekady w inżynierii nanostruktur obowiązywał nienaruszalny dogmat głoszący, że cząsteczki łączące poszczególne nanocząstki – czyli ligandy – muszą charakteryzować się absolutną sztywnością i geometryczną niezmiennością. Zakładano, że jakiekolwiek odstępstwo od tej reguły i wprowadzenie elastyczności nieuchronnie doprowadzi do chaotycznego zapadnięcia się struktury i porażki procesu samoorganizacji. 

Dotychczasowe próby kontrolowania geometrii wiązań opierały się na skomplikowanym modyfikowaniu kształtu samych nanocząstek lub mozolnym dopasowywaniu sztywnych łączników chemicznych. Zespół z MIT postanowił jednak przetestować skrajnie przeciwne, intuicyjnie sprzeczne podejście: zamiast walczyć z elastycznością, uczynił z niej główne narzędzie kontroli krystalograficznej.

W ramach eksperymentów badacze wykorzystali nanocząstki złota funkcjonalizowane wiotkimi, elastycznymi łańcuchami powszechnie stosowanego polimeru – glikolu polietylenowego (PEG). Końce łańcuchów polimerowych naładowano ładunkami dodatnimi oraz ujemnymi, co ułatwiło tworzenie wiązań międzycząsteczkowych, a cały przebieg syntezy zweryfikowano symulacjami komputerowymi. 

Z uwagi na brak strukturalnej sztywności, ligandy PEG ulegały samoistnemu zbijaniu się w pęczki wyłącznie w punktach bezpośredniego kontaktu stykających się drobin złota. To lokalne skupianie się łańcuchów naturalnie ograniczyło dostępną przestrzeń i zredukowało liczbę możliwych mostków międzycząsteczkowych, uniemożliwiając nadmierne, niekontrolowane sieciowanie.

W efekcie to elastyczność polimeru, a nie narzucony z góry kształt cząstek, zaczęła dyktować liczbę i orientację przestrzenną tworzonych wiązań. Naukowcy wykazali, że regulując średnicę nanocząstek oraz długość łańcuchów PEG,można precyzyjnie kontrolować liczbę połączeń – przykładowo mniejsze cząstki formowały mniej wiązań. 

Pozwoliło to uzyskać niespotykane dotąd, wysoce uporządkowane supersieci krystaliczne o niespotykanej geometrii i obniżonej liczbie koordynacyjnej. Kolejnym etapem prac zespołu Macfarlane’a będzie przetestowanie innych kombinacji pierwiastków oraz typów ligandów, co pozwoli przełożyć kontrolę nad architekturą w nanoskali na makroskopowe właściwości użytkowe materiałów nowej generacji.

Napisane przez

Monika Wojciechowska

Redaktor
Najbliższe są mi tematy związane z technologią, gadżetami, nowoczesnym AGD i motoryzacją. Interesują mnie rozwiązania, które nie tylko dobrze wyglądają na papierze, ale przede wszystkim realnie wpływają na komfort, wygodę i sposób, w jaki korzystamy z technologii na co dzień. Ukończyłam studia dziennikarskie oraz szkolenia z zakresu sztucznej inteligencji. Prywatnie uwielbiam gry i muzykę.