Forskere fra MIT og University of Delaware har utviklet nye materialer ved å bruke svært fleksible forbindelser mellom nanopartikler, i stedet for de stive molekylære forbindelsene som vanligvis brukes. Resultatene utfordrer en regel som har preget nanoteknologien i rundt 20 år.

Nanopartikler er strukturer som kan utformes ned til en milliarddels meter. De er derfor attraktive byggesteiner i moderne materialvitenskap, blant annet fordi formene deres kan tilpasses bruksområder som systemer for legemiddellevering og energilagring.

Går imot etablert antakelse

Utfordringen har vært å sette de små komponentene sammen til større, funksjonelle strukturer kalt supergitter. Tidligere har forskere i stor grad brukt stive forbindelsesmolekyler, også kalt ligander. Disse fungerer som faste armer som presser nanopartiklene inn i tettpakkede strukturer.

Forskere har antatt at fleksible forbindelser ville føre til at strukturene kollapset og ble uordnede. MIT- og Delaware-teamet viser imidlertid at superfleksible polymerforbindelser med elektrisk ladede ender kan få nanopartiklene til å omorganisere seg spontant og danne åpne, tilpassbare materialstrukturer.

«Folk er interessert i nanopartikkel-supergitter fordi de kan gjøre det mulig å bygge skreddersydde materialer der man har større innflytelse på hvilke strukturer de faktisk kan danne», sier Rob Macfarlane, professor i metallurgi ved MITs institutt for materialvitenskap og -teknikk.

Macfarlane beskriver tilnærmingen som det motsatte av den etablerte tankegangen.

«Dette er en ny tilnærming til sammenstilling av nanopartikler som ikke har blitt undersøkt tidligere. Det er spennende å ha et verktøy som er så kontraintuitivt. Det er det stikk motsatte av det som har vært læren i 20 år: at man må gjøre forbindelsesligandene stive, og at ethvert avvik fører til at sammenstillingen mislykkes. Vi viste at hvis man går helt til motsatt ytterlighet, fungerer det like godt», forklarte Macfarlane.

Forbindelsene tilpasser seg underveis

I stedet for å forhåndsprogrammere bestemte forbindelsesvinkler gjennom komplisert kjemi, utformet forskerne fleksible polymerarmer med elektrisk ladede ender. De bevegelige kjedene kan bøye og strekke seg for å nå forbindelsespartnere i nærheten når motsatte ladninger trekker dem sammen.

«Vi tenkte: La oss gjøre det stikk motsatte – gjøre bindingene så fleksible at det ikke spiller noen rolle hvilken retning de peker i utgangspunktet. Ligandene kan deretter omorganisere seg når partiklene nærmer seg hverandre, og selve omorganiseringen begrenser hvor mange naboer hver partikkel kan binde seg til», sier Macfarlane.

Når nanopartiklene samles, omorganiserer de fleksible forbindelsene seg spontant for å gjøre bindingene mest mulig stabile. Denne selvjusterende oppførselen gjør det mulig å styre strukturen i nettverket, blant annet ved å begrense hvor mange naboer hver partikkel binder seg til.

Forskerne kan også påvirke materialet ved å endre størrelsen på nanopartiklene, lengden på ligandkjedene eller den samlede elektriske ladningen. På den måten får de kontroll over strukturen som dannes.

Kan gi åpne materialstrukturer

Teamet produserte krystallgitter som ikke tidligere var observert, gjennom naturlig deformasjon av molekylene. Lavere tetthet i nanopartikkelnettverkene kan åpne for flere teknologiske bruksområder.

Forskerne peker blant annet på mer presis kontroll av lys i fotonikk, åpne strukturer for kjemisk katalyse og smarte hydrogeler for målrettet legemiddellevering. Den fleksible metoden skal samtidig gjøre det enklere å skalere skreddersydde materialer.

Resultatene knytter dermed teoretisk kontroll over nanopartikler tettere sammen med praktisk materialutvikling. Funnene ble publisert i tidsskriftet Nature Materials.