Дослідники з Массачусетського технологічного інституту (MIT) та Делаверського університету продемонстрували новий спосіб створення матеріалів із наночастинок, який суперечить принципу, що залишався основою цієї галузі близько 20 років. Виявилося, що для формування впорядкованих структур молекулярні сполучники зовсім не обов’язково мають бути жорсткими. Навпаки, надзвичайно гнучкі полімерні ланцюги можуть допомагати частинкам самостійно організовуватися в нові структури.
Цей підхід потенційно спростить розробку матеріалів із заданими властивостями для медицини, енергетики та фотоніки.
Чому жорсткі молекулярні зв’язки вважали необхідними
Наночастинки — це надзвичайно малі структури, розмір яких вимірюється нанометрами. Завдяки можливості налаштовувати їхню форму та властивості вони можуть слугувати будівельними блоками для матеріалів із різноманітним призначенням: від систем доставки ліків до пристроїв накопичення енергії.
Однак перетворити окремі частинки на великі впорядковані структури, які називають суперкристалами, непросто. Традиційні методи використовують жорсткі молекулярні сполучники — ліганди. Вони з’єднують наночастинки під заздалегідь визначеними кутами, утворюючи щільно упаковані структури.
Такий підхід добре працює для простих конфігурацій, але обмежує різноманітність матеріалів, які можна створити. Крім того, розробка спеціальних жорстких молекул для кожної нової структури потребує складної хімії, а самі конструкції можуть бути крихкими й важкими для масштабування.
Гнучкі ланцюги самостійно перебудовують зв’язки
Команда під керівництвом професора MIT Роба Макфарлейна вирішила перевірити протилежну ідею: замість того щоб фіксувати напрямок зв’язків, зробити їх настільки гнучкими, щоб вони могли самостійно змінювати положення.
Для цього дослідники створили полімерні ланцюги з електрично зарядженими кінцями. Коли наночастинки зближуються, протилежні заряди притягуються, а гнучкі ланцюги згинаються й розтягуються, знаходячи партнерів для з’єднання.
У процесі формування структури сполучники перебудовуються так, щоб зробити зв’язки стабільнішими. Така поведінка також обмежує кількість сусідніх частинок, з якими може з’єднатися кожна наночастинка. Завдяки цьому замість щільного пакування можуть виникати більш відкриті мережі.
Дослідники можуть змінювати характеристики кінцевого матеріалу, регулюючи розмір наночастинок, довжину полімерних ланцюгів і загальний електричний заряд системи.
Які можливості відкриває новий метод
За допомогою цього підходу науковці отримали кристалічні ґратки, які раніше не вдавалося створити таким способом. Важливо, що їхнє формування відбувалося завдяки природній перебудові гнучких молекулярних сполучників, а не точному попередньому налаштуванню кожного зв’язку.
Менша щільність таких структур може бути корисною в кількох технологічних напрямках. У фотоніці відкриті ґратки потенційно дозволять точніше керувати світлом. У хімічному каталізі пористі каркаси можуть забезпечувати доступ до активних ділянок матеріалу. А в медицині подібні структури можуть стати основою гідрогелів для цільової доставки ліків.
Роб Макфарлейн назвав новий підхід протилежністю усталеному уявленню про те, що будь-яке відхилення від жорсткої структури молекулярних сполучників призводить до невдалого складання. Тепер дослідники показали, що надзвичайна гнучкість може бути не перешкодою, а інструментом керування наночастинками.
Робота пропонує новий принцип створення матеріалів із наночастинок і може допомогти наблизити їхнє проєктування до практичного застосування. Водночас описані результати поки демонструють можливості методу, а не підтверджують готовність усіх згаданих технологій до промислового використання.