Золотые наночастицы ведут себя почти как биологические системы, реагируя на температурные и механические воздействия.
Исследователи из Университета Тохоку создали наночастицы золота, способные изменять свою форму в ответ на температурные колебания и механические воздействия. Секрет кроется в покрытии из двух типов органических молекул, которые перераспределяются по поверхности при воздействии внешних факторов и запускают масштабные трансформации всего слоя наночастиц на границе между воздухом и водой.
При комнатной температуре частицы группируются в отдельные островки. По мере повышения температуры они постепенно выстраиваются в цепочки, а при 40° формируют крупные сетчатые узоры. При механическом сжатии сетка вновь распадается на островки. Обычно органические молекулы на поверхности таких частиц остаются практически неподвижными в сухой среде, а для их структурных изменений требуется температура выше 100°. Японским ученым удалось значительно понизить этот температурный порог.
Граница между воздухом и водой представляет собой уникальную среду для наноматериалов. На данной поверхности частицы вынуждены выстраиваться в слой толщиной в одну частицу, не имея возможности свободно перемещаться в объеме. В таких условиях структурные изменения проявляются особенно ярко: малейшая асимметрия в форме или покрытии частицы немедленно влияет на то, как она взаимодействует с соседями.
Золотые наночастицы покрыты двумя типами молекул: разветвленными термочувствительными дендронами — молекулами в форме деревца — и простыми линейными «палочками». В обычных условиях молекулы хаотично расположены на поверхности, но стоит изменить температуру, как они начинают сортироваться и каждый тип собирается в своей зоне. Никакого внешнего вмешательства не требуется.
Это перераспределение меняет саму природу частицы. Из симметричного шарика она превращается в асимметричный объект с выраженной ориентацией — возникает нечто вроде «лицевой» и «обратной» стороны. Перестройка одной частицы инициирует реорганизацию всей структуры в целом. Механизм удалось изучить в деталях с помощью рентгеновских измерений на синхротроне DESY в Гамбурге — установке, которая «просвечивает» наноматериал.
Золото выбрано не случайно. Его оптические и электронные свойства на наноуровне чрезвычайно чувствительны к взаимному расположению частиц. Цвет, проводимость и каталитическая активность золотых наноструктур варьируются в зависимости от того, как именно частицы организованы — изолированно, в виде цепочек или сетки. Управление этой организацией через молекулярное перераспределение позволяет переключать одни и те же частицы между различными режимами работы без необходимости синтеза новых материалов.
Работа опубликована в Journal of the American Chemical Society. Профессор Киеси Кание отметил, что молекулярные изменения могут приводить к значительным структурным трансформациям в наносистемах. Перед исследователями открывается путь к созданию адаптивных материалов, реагирующих на окружающую среду — от сенсоров до катализаторов и электронных компонентов. Эта технология может быть использована в гибкой электронике, биомедицинских устройствах и системах доставки лекарств, где
Фото: hi-tech.mail.ru