Ερευνητές χρησιμοποιούν ηλεκτροστατικό φορτίο για τη συγκέντρωση σωματιδίων σε υλικά που μιμούνται πολύτιμους λίθους και άλατα

Ερευνητές χρησιμοποιούν ηλεκτροστατικό φορτίο για τη συγκέντρωση σωματιδίων σε υλικά που μιμούνται πολύτιμους λίθους και άλατα

Χρησιμοποιώντας μόνο ηλεκτροστατικό φορτίο, τα κοινά μικροσωματίδια μπορούν να οργανωθούν αυθόρμητα σε διατεταγμένα κρυσταλλικά υλικά - το ισοδύναμο του επιτραπέζιου αλατιού ή των οπαλίων, σύμφωνα με μια νέα μελέτη με επικεφαλής τους χημικούς του Πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης (NYU)  η οποία δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature .

 

«Η έρευνά μας ρίχνει νέο φως στις διαδικασίες αυτοσυναρμολόγησης που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή νέων λειτουργικών υλικών», δήλωσε ο Stefano Sacanna, αναπληρωτής καθηγητής χημείας στο NYU και ο επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης.

Η αυτοσυναρμολόγηση είναι μια διαδικασία κατά την οποία μικροσκοπικά σωματίδια αναγνωρίζουν το ένα το άλλο και συνδέονται με προκαθορισμένο τρόπο. Αυτά τα σωματίδια ενώνονται και συναρμολογούνται σε κάτι χρήσιμο αυθόρμητα, μετά από ένα συμβάν ενεργοποίησης ή μια αλλαγή στις συνθήκες.

Μία προσέγγιση στον προγραμματισμό σωματιδίων για συναρμολόγηση με συγκεκριμένο τρόπο είναι η επικάλυψή τους με στελέχη DNA. Ο γενετικός κώδικας καθοδηγεί τα σωματίδια για το πώς και πού να συνδέονται μεταξύ τους. Ωστόσο, επειδή αυτή η προσέγγιση απαιτεί σημαντική ποσότητα DNA, μπορεί να είναι δαπανηρή και περιορίζεται στην παραγωγή πολύ μικρών δειγμάτων.

Στη μελέτη τους στο Nature , οι ερευνητές υιοθέτησαν μια διαφορετική προσέγγιση στην αυτοσυναρμολόγηση χρησιμοποιώντας μια πολύ απλούστερη μέθοδο. Αντί να χρησιμοποιήσουν DNA, χρησιμοποίησαν ηλεκτροστατικό φορτίο.

«Η διαδικασία είναι παρόμοια με αυτό που συμβαίνει όταν ανακατεύετε αλάτι σε μια κατσαρόλα με νερό», εξήγησε ο Sacanna. Όταν προστίθεται αλάτι στο νερό, οι μικροί κρύσταλλοι διαλύονται σε αρνητικά φορτισμένα ιόντα χλωρίου και θετικά φορτισμένα ιόντα νατρίου. Όταν το νερό εξατμίζεται, τα θετικά και αρνητικά φορτισμένα σωματίδια ανασυντίθενται σε κρυστάλλους άλατος.

«Αντί να χρησιμοποιούμε ατομικά ιόντα όπως αυτά στο αλάτι, χρησιμοποιήσαμε κολλοειδή σωματίδια , τα οποία είναι χιλιάδες φορές μεγαλύτερα. Όταν αναμιγνύονται τα κολλοειδή σωματίδια μαζί υπό τις σωστές συνθήκες, συμπεριφέρονται σαν ατομικά ιόντα και αυτοσυναρμολογούνται σε κρυστάλλους», δήλωσε ο Sacanna.

Η διαδικασία αυτή επιτρέπει την παραγωγή μεγάλων ποσοτήτων υλικού.

«Χρησιμοποιώντας το φυσικό φορτίο επιφανείας των σωματιδίων, καταφέραμε να αποφύγουμε οποιαδήποτε χημεία επιφανείας που απαιτείται συνήθως για μια τέτοια περίπλοκη συναρμολόγηση, επιτρέποντάς μας να δημιουργήσουμε εύκολα μεγάλους όγκους κρυστάλλων», δήλωσε ο Theodore Hueckel, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο NYU και ο κύριος συγγραφέας της μελέτης. .

Εκτός από τη δημιουργία κολλοειδών υλικών που μοιάζουν με αλάτι, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν την αυτοσυναρμολόγηση για να δημιουργήσουν κολλοειδή υλικά που μιμούνται πολύτιμους λίθους – συγκεκριμένα, τα οπάλια. Τα οπάλια είναι ιριδίζοντα και πολύχρωμα, αποτέλεσμα της εσωτερικής κρυσταλλικής μικροδομής τους και της αλληλεπίδρασής της με το φως. Στο εργαστήριο, οι ερευνητές δημιούργησαν τους συνθετικούς πολύτιμους λίθους με παρόμοιες εσωτερικές μικροδομές με τα οπάλια.

«Εάν τραβήξετε μια εξαιρετικά μεγεθυμένη εικόνα ενός οπάλιου , θα παρατηρήσετε τα ίδια μικροσκοπικά σφαιρικά δομικά στοιχεία που παρατάσσονται με τακτικό τρόπο», πρόσθεσε ο Hueckel.

Η χρήση ηλεκτροστατικού φορτίου για αυτοσυναρμολόγηση επιτρέπει στους ερευνητές να μιμούνται αμφότερα τα υλικά που βρίσκονται στη φύση, αλλά επίσης έχει πλεονεκτήματα πέρα από ό,τι συμβαίνει φυσικά. Για παράδειγμα, οι ερευνητές μπορούν να προσαρμόσουν το μέγεθος και το σχήμα των θετικά και αρνητικά φορτισμένων σωματιδίων, κάτι που επιτρέπει ένα ευρύ φάσμα διαφορετικών κρυσταλλικών δομών.

«Εμπνευστήκαμε από τους ιοντικούς κρυστάλλους που απαντώνται στην φύση, αλλά πιστεύουμε ότι θα προχωρήσουμε πέρα από τη δομική πολυπλοκότητά τους, χρησιμοποιώντας όλα τα σχεδιαστικά στοιχεία που είναι μοναδικά διαθέσιμα στις κολλοειδείς δομικές μονάδες», δήλωσε ο Hueckel.

 

Περισσότερες Πληροφορίες: Ionic solids from common colloids, Nature (2020). DOI: 10.1038/s41586-020-2205-0 , https://www.nature.com/articles/s41586-020-2205-0

Πληροφορίες Περιοδικού: Nature

Photo Gallery

Πηγή: https://phys.org

Share this Post:

ΕΠΙΣΤΡΟΦΗ

ΔΕΙΤΕ ΑΚΟΜΗ

Σχόλια