Микрочастицы собираются в структуры сами

Ученые создали новый вид частиц диаметром менее одной сотой человеческого волоса, способных самостоятельно собираться в периодические структуры. То, что получается в результате, похоже на атомы в сложных молекулах. Эти самоорганизующиеся частицы обещают новый прорыв в изготовлении современных оптических материалов.

Метод, описанный в последнем номере журнала Nature, был разработан командой химиков, химиков-инженеров и физиков из Нью-Йоркского университета, Гарвардской школы инженерии и прикладных наук, Гарвардской кафедры физики и химической компании Dow.

Этот метод базируется на коллоидальных смесях - частицах, взвешенных в жидкой среде. Коллоидные дисперсии состоят из таких простых компонентов, как краска, молоко, желатин, стекло или фарфор. Но их потенциал для создания новых материалов до сих пор оставался нераскрытым.

Ранее ученые преуспели в создании рудиментарных структур из коллоидов. Но возможность их использования в создании 3D структур оставалась ограниченной. В частности, это происходило из-за того, что коллоиды не обладают периодическими пространственными связями, необходимыми для управления сборкой частиц и сохранения структурной целостности образований. Такие сборки возможны в природном мире - например, из атомов строятся молекулы - но у коллоидов эти примеры крайне редки.

Исследователи сумели разработать своеобразные химические "заплатки", при помощи которых образуются пространственные "спайки" частиц. В результате эти частицы при помощи небольшого количества связей формируют периодическую решетку. Если бы этих связей не существовало, вся структура была бы неустойчивой. Но такие скрепления удалось получить, используя нить ДНК, на которой можно разместить крошечные частицы, как на клейкой ленте.

"Мы можем сделать частицы, которые скреплены друг с другом только этими нитями. И значит, мы сможем запрограммировать их так, чтобы лишь определенные виды частиц крепились на ней. Это дает огромные возможности для создания самых разнообразных трехмерных структур", - говорит профессор Физики Дэвид Пайн.

Специфичность взаимодействия ДНК с различными элементами коллоидов означает на практике, что коллоиды с разными свойствами - например, цветом, химической функциональностью или электропроводностью - приведут к созданию целого ряда новых материалов. Потенциально это может быть трехмерная электрическая проводная сеть или фотонные кристаллы, на основе которых будут созданы ультраскоростные оптические наночипы.