Cuando los nanocientíficos de la Universidad de Pensilvania crearon hermosos, patrones de mosaico con nanocristales planos, se quedaron con un misterio:¿por qué algunos conjuntos de cristales se dispusieron en una alternancia, estilo espina de pescado, a pesar de que no era el patrón más simple? Descubrir, recurrieron a expertos en simulación por computadora en la Universidad de Michigan y el Instituto de Tecnología de Massachusetts.

El resultado proporciona a los investigadores de nanotecnología una nueva herramienta para controlar cómo los objetos una millonésima del tamaño de un grano de arena se organizan en materiales útiles. proporciona un medio para descubrir las reglas para "programarlos" en las configuraciones deseadas.

El estudio fue dirigido por Christopher Murray, un profesor con nombramientos en el Departamento de Química de la Facultad de Artes y Ciencias y el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas. También en el equipo de Penn estaban Cherie Kagan, una química, Profesor de MSE e ingeniería eléctrica y de sistemas, e investigadores postdoctorales Xingchen Ye, Jun Chen y Guozhong Xing.

Colaboraron con Sharon Glotzer, profesor de ingeniería química en Michigan, y Ju Li, profesor de ciencia e ingeniería nucleares en el MIT.

Su investigación apareció en la portada de la revista. Química de la naturaleza .

"La emoción en esto no está en el patrón de espina de pescado, "Murray dijo, "Se trata de la combinación de experimentos y modelos y cómo ese enfoque nos permite abordar un problema muy difícil".

El trabajo anterior en el grupo de Murray se ha centrado en crear nanocristales y organizarlos en superestructuras de cristal más grandes. Por último, Los investigadores quieren modificar parches en nanopartículas de diferentes formas para inducirlos a patrones más complejos. El objetivo es desarrollar "cuestiones de programación, " es decir, un método para diseñar materiales novedosos basado en las propiedades necesarias para un trabajo en particular.

"Mediante la ingeniería de interacciones a nanoescala, "Glotzer dijo, "Podemos comenzar a ensamblar estructuras de destino de gran complejidad y funcionalidad en la macroescala".

Glotzer introdujo el concepto de "parches" de nanopartículas en 2004. Su grupo utiliza simulaciones por computadora para comprender y diseñar los parches.

Recientemente, El equipo de Murray hizo patrones con nanocristales planos hechos de metales pesados, conocido por los químicos como lantánidos, y átomos de flúor. Los lantánidos tienen propiedades valiosas para la energía solar y las imágenes médicas, como la capacidad de convertir entre luz de alta y baja energía.

Comenzaron por descomponer los productos químicos que contienen átomos de un metal lantánido y flúor en una solución, y el lantánido y el flúor empezaron a formar cristales de forma natural. También en la mezcla había cadenas de carbono e hidrógeno que se pegaban a los lados de los cristales, detener su crecimiento en tamaños alrededor de 100 nanómetros, o 100 millonésimas de milímetro, en las dimensiones más grandes. Al usar lantánidos con diferentes radios atómicos, Podían controlar las caras superior e inferior de los cristales hexagonales para que fueran desde mucho más largas que los otros cuatro lados hasta inexistentes, resultando en una forma de diamante.

Para formar patrones en mosaico, el equipo purificó los nanocristales y los mezcló con un disolvente. Esparcen esta mezcla en una capa delgada sobre un fluido espeso, que sostenía los cristales mientras les permitía moverse. A medida que el solvente se evaporó, los cristales tenían menos espacio disponible, y empezaron a empacar juntos.

The diamond shapes and the very long hexagons lined up as expected, the diamonds forming an argyle-style grid and the hexagons matching up their longest edges like a foreshortened honeycomb. The hexagons whose sides were all nearly the same length should have formed a similar squashed honeycomb pattern, pero, en lugar de, they lined up in an alternating herringbone style.

"Whenever we see something that isn't taking the simplest pattern possible, we have to ask why, " Murray said.

They posed the question to Glotzer's team.

"They've been world leaders in understanding how these shapes could work on nanometer scales, and there aren't many groups that can make the crystals we make, " Murray said. "It seemed natural to bring these strengths together."

Glotzer and her group built a computer model that could recreate the self-assembly of the same range of shapes that Murray had produced. The simulations showed that if the equilateral hexagons interacted with one another only through their shapes, most of the crystals formed the foreshortened honeycomb pattern, not the herringbone.

"That's when we said, 'Okay, there must be something else going on. It's not just a packing problem, '" Glotzer said. Her team, which included graduate student Andres Millan and research scientist Michael Engel, then began playing with interactions between the edges of the particles. They found that that if the edges that formed the points were stickier than the other two sides, the hexagons would naturally arrange in the herringbone pattern.

The teams suspected that the source of the stickiness was those carbon and hydrogen chains. Perhaps they attached to the point edges more easily, the team members thought. Since experiment doesn't yet offer a way to measure the number of hydrocarbon chains on the sides of such tiny particles, Murray asked MIT's Ju Li to calculate how the chains would attach to the edges at a quantum mechanical level.

Li's group confirmed that, because of the way that the different facets cut across the lattice of the metal and fluorine atoms, more hydrocarbon chains could stick to the four edges that led to points than the remaining two sides. Como resultado, the particles become patchy.

"Our study shows a way forward making very subtle changes in building block architecture and getting a very profound change in the larger self-assembled pattern, " Glotzer said. "The goal is to have knobs that you can change just a little and get a big change in structure, and this is one of the first papers that shows a way forward for how to do that."