Специалисты из Нью-Йоркского университета разработали метод, позволяющий использовать свет для управления самосборкой микроскопических частиц в упорядоченные кристаллы. Эта работа, опубликованная в журнале «Chem», описывает простую и обратимую технологию, которая может лечь в основу создания нового класса адаптивных материалов, реагирующих на внешние воздействия.
Кристаллы окружают нас повсюду – от снежинок и алмазов до кремния в электронных устройствах. В их основе лежит строго упорядоченная, повторяющаяся структура из частиц. Для изучения этих процессов ученые часто используют коллоидные частицы – крошечные сферы, взвешенные в жидкости, которые естественным образом объединяются в так называемые коллоидные кристаллы. Они также служат компонентами для современных оптических и фотонных устройств, например, сенсоров и лазеров.
Несмотря на их распространенность и пользу, точный контроль над тем, как и когда формируются кристаллы, оставался серьезной проблемой. «Основная сложность в этой области заключалась в управлении: кристаллы обычно образуются там и тогда, где им вздумается, и после запуска процесса возможности повлиять на него в реальном времени были ограничены», – отмечает автор исследования Стефано Саканна, профессор химии Нью-Йоркского университета.
Исследовательская группа нашла удивительно простой способ направлять формирование кристаллов – достаточно лишь посветить на систему. Ученые добавили в жидкость с коллоидными частицами светочувствительные молекулы, известные как фотокислоты. Под воздействием света эти молекулы на короткое время повышают свою кислотность. Это изменение влияет на их взаимодействие с поверхностью частиц, меняя их электрический заряд. Модифицируя заряд, ученые могут заставить частицы либо притягиваться и слипаться в кристалл, либо отталкиваться и распадаться.
«По сути, мы использовали свет как пульт дистанционного управления, чтобы программировать самоорганизацию материи на микроуровне», – говорит Саканна. С помощью экспериментов и компьютерного моделирования команда продемонстрировала, что, регулируя яркость, продолжительность и рисунок освещения, можно с поразительной точностью управлять поведением кристаллов. Ученые могут инициировать рост кристаллов или растворять их по своему желанию, определять место кристаллизации, изменять форму структур и даже «лепить» их, создавая более крупные и сложные коллоидные ансамбли.
Заметным преимуществом этого подхода является то, что весь процесс происходит в одной среде без необходимости изменять химический состав раствора. Просто меняя уровень освещенности, команда заставляла частицы собираться в кристаллы или снова распадаться. Этот прорыв открывает путь к созданию «программируемых» материалов, чья внутренняя структура – а значит, и свойства – может быть изменена по требованию с помощью света. В будущем это может привести к появлению перенастраиваемых оптических покрытий, адаптивных датчиков и технологий хранения данных нового поколения, где информация записывается, стирается и перезаписывается световым лучом.
