Onderzoekers bouwen lang gezochte nanodeeltjesstructuur, waardoor de deur opengaat naar speciale eigenschappen

Chirale symmetrie breekt in superroosters van tetraëders die faseovergang ondergaan van lage naar hoge pakkingsfractietoestanden. Credit: Natuur (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05384-8

Alex Travesset heeft geen glanzend onderzoekslaboratorium vol met de nieuwste instrumenten die nieuwe nanomaterialen onderzoeken en hun speciale eigenschappen meten.

Nee, zijn theoretische werk dat uitlegt wat er in die nieuwe nanomaterialen gebeurt, gaat helemaal over computermodellen, vergelijkingen en figuren. En dus, wanneer hij zich bij een project aansluit, kan de hoogleraar natuurkunde en astronomie van de Iowa State University, die ook verbonden is aan het Ames National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie, vele dichte pagina’s bijdragen die laten zien hoe nanodeeltjes zich assembleren.

Voorbeeld: Travesset’s “Chiral Tetrahedra” -berekeningen en illustraties die deel uitmaken van een onderzoeksartikel dat zojuist door het tijdschrift is gepubliceerd Natuur. Die berekeningen laten zien hoe gecontroleerde verdamping van een oplossing met tetraëdervormige gouden nanodeeltjes op een vast siliciumsubstraat kan worden samengevoegd tot een pinwheel-vormige, tweelaagse structuur.

Het blijkt dat de nanostructuur chiraal is, wat betekent dat hij niet identiek is aan zijn spiegelbeeld. (Het klassieke voorbeeld is een hand en zijn weerspiegeling. De duimen eindigen aan weerszijden en dus kan de ene hand niet op de andere worden gelegd. Dat is chiraliteit.)

Travesset zei dat het produceren van een stabiele nanostructuur met chirale eigenschappen een groot probleem is.

Onderzoekers proberen al bijna 20 jaar chirale nanostructuren samen te stellen – ongeveer net zo lang als onderzoekers nanostructuren bestuderen. Dergelijke structuren zouden kunnen leiden tot speciaal ontworpen materialen met “ongebruikelijke optische, mechanische en elektronische kenmerken”, aldus de Natuur papier.

Travesset, die tijdens een virtuele wetenschappelijke conferentie werd voorgesteld aan de hoofdonderzoekers van het project van de University of Illinois Urbana-Champaign (zie zijbalk), wist niet eens zeker of deze nieuwe chirale structuur in de echte wereld zou kunnen bestaan.

“Dit was een zeer open structuur,” zei hij. “Meestal zijn deze structuren met nanodeeltjes nooit stabiel.”

Maar deze werd “bij elkaar gehouden door verschillende soorten elektrostatische krachten”, zei Travesset. “Ze waren ongebruikelijk in hun continuïteit.”

De chiraliteit van de structuur werd mogelijk gemaakt door te worden ingeklemd in twee verschillende substraten: lucht aan de bovenkant en een vast oppervlak aan de onderkant. Optische metingen aan de Universiteit van Michigan bevestigden de chiraliteit door een zeer sterk chiro-optisch effect te rapporteren als reactie op gepolariseerd licht.

“Deze zeer open structuur met chirale optische respons was erg belangrijk,” zei Travesset. “Mensen proberen dit al heel lang. Maar de structuur is altijd onstabiel of niet realiseerbaar geweest. Dit is het eerste voorbeeld dat dit is gelukt.”

Nogmaals, een groot probleem.

“Als theoreticus die werkt aan alles wat met nanodeeltjes te maken heeft, ben ik altijd geïnteresseerd geweest in het samenstellen van chirale nanodeeltjesarrangementen”, zei Travesset.

De “unieke topologie en fysica” van deze chirale nanostructuren, “maken hun zelfassemblage uit nanodeeltjes zeer gewild maar uitdagend”, aldus de Nature-paper.

Travesset zei dat de experimentatoren in de onderzoeksgroep zullen voortbouwen op hun ontdekking, meer zullen leren over de eigenschappen van de nanostructuur en, mogelijk, hoe ze kunnen worden gebruikt in bijvoorbeeld coatings voor optische toepassingen.

Voor theoretici van nanodeeltjes die met hun modellen, vergelijkingen en figuren werken, zei Travesset dat er ook veel werk te wachten staat.

“Ondanks enkele successen blijft de theorie op de een of andere manier achter”, zei hij. “We zijn nog niet in een positie waarin we op nanodeeltjes gebaseerde materialen alleen kunnen ontwerpen op basis van theoretische / computermodellen. Sterker nog, andere collega’s en ik organiseren een workshop van acht weken om deze uitdaging aan te gaan.”