Учёные из Массачусетского технологического института (MIT) разработали новый способ управления сборкой наночастиц в сложные материалы. Они использовали чрезвычайно гибкие молекулярные «мостики», опровергнув тем самым научный консенсус последних двадцати лет, который предполагал необходимость жёстких соединений. Открытие позволяет получать кристаллические структуры, которые ранее не удавалось синтезировать, и открывает путь к созданию материалов с заданными свойствами.
Результаты исследования описаны в статье для журнала Nature Materials. До сих пор в материаловедении доминировал подход, согласно которому наночастицы нужно соединять жёсткими молекулами-лигандами, чтобы зафиксировать их в заранее определённой структуре. Любая гибкость считалась помехой. Такие методы сложны, работают только для конкретных материалов и плохо масштабируются.
Команда под руководством профессора Роба Макфарлейна пошла противоположным путём. К наночастицам «пришивали» гибкие полимерные цепи, на концах которых находились положительные или отрицательные электрические заряды. При сближении частиц противоположные заряды притягиваются, и гибкие мостики образуют связи. Вместо того чтобы заранее определять направление каждой связи, исследователи позволили системе самоорганизоваться.
Оказалось, что гибкость соединений естественным образом ограничивает число связей, которые может сформировать одна частица с соседними. Учёные обнаружили, что могут управлять этим числом, меняя всего два параметра – размер самих частиц и длину полимерных цепей. Это позволило им создавать более открытые, менее плотные кристаллические решётки, которые называют сверхрешётками.
Новый подход приближает материаловедов к давней цели – возможности выбирать свойства наночастиц и тип итоговой структуры независимо друг от друга. Ранее эти параметры были тесно связаны. Менее плотные структуры считаются особенно перспективными для фотоники, где нужно управлять светом, а также для химического катализа, электроники, медицины и энергетики.
По словам исследователей, то, что раньше считалось недостатком, – гибкость молекулярных связей, – стало эффективным инструментом для конструирования новых материалов. Этот метод может упростить и удешевить производство материалов с уникальными оптическими, электрическими и химическими характеристиками.
