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.
