Цивилизация
Материаловедение в сфере создания функциональных материалов и наноматериалов развивается в последние годы динамично благодаря усовершенствованию методов исследования таких объектов. В 2009 году ученые рапортовали о создании нового типа коллоидных частиц, на разных сторонах которых находятся молекулы с разным химическим составом. Они получили название сфер Януса — по имени древнеримского бога, обладавшего двумя лицами. Предполагаемые применения таких частиц находятся в стадии разработки, например, в медицине они позволят маркировать разные части клеток с помощью разных частей поверхности. Теперь ученым удалось создать более крупные трехмерные структуры из частиц Януса. Материаловеды из университета Иллинойса разработали простой воспроизводимый способ создания таких самоорганизующихся сложных структур.
Их работам посвящены две статьи — в сегодняшнем Nature и в Science на прошлой неделе.
Материаловеды смогли получить филигранные кристаллические решетки из наноразмерных объектов — коллоидных частиц, сфер Януса.
«Это большой шаг в направлении создания нетривиальных структур из очень простых частиц. В макромире мы хорошо оперируем такими действиями — строим дома из кирпичей, например, однако ученые и инженеры до сих пор мало что умеют строить из небольших частиц. Вместе с тем, коллоидные частицы сильно отличаются от молекул. Они больше, они более жесткие и они уже обладают рядом свойств макрообъектов, кооперативных свойств материала», — отметил Стив Грэник, профессор Университета Иллинойса, который руководил исследованиями.
«Строительство» из коллоидных частиц чаще всего ограничивалось компьютерными расчетами, которые моделировали дизайн сложных структур из сложных частиц. Экспериментальные работы с такими объектами обычно встречали на своем пути большие трудности.
В противоположность этому работу с трехблочными (то есть состоящими из трех разных химически различных фрагментов) сферами Януса отличает изящная простота. Она же и приближает их к практическому использованию.
Группа Грэника давно занимается частицами Януса. Сначала они создавали «классические» частицы «с двумя лицами», однако затем пришла идея создать уже три полосы поверхностей с разными свойствами.
Центральная полоса (проходящая через «экватор» частицы) ионизирована, то есть содержит заряженные частицы, а шапки, полюса частицы гидрофобны, то есть отталкивают воду и имеют большее сродство к органическим гидрофобным же растворителям.
Таким образом, в водно-солевом растворе гидрофобные сегменты «слипаются», чтобы обеспечить минимальную площадь соприкосновения со средой. В результате сферы самостоятельно формируют сложную решетку, подобную кристаллу, в которой полюса частиц связаны один с другим, а размер их достаточно велик, чтобы формировать окружение из трех других.
Таким образом, сферы Януса располагаются в виде высокосимметричной шестиконечной звезды, каждая из которых внедрена в общий «паркетный» слой.
Эти пористые листы, являющиеся одновременно и гидрофобными, и гидрофильными, могут быть полезны в качестве специализированных фильтров.
«Мы получили некоторое усовершенствованное мыло. Мыло хорошо растворяет и (гидрофобные) жиры, и водорастворимые вещества. Наша «кружевная» поверхность тоже может фильтровать как водорастворимые, так и жирорастворимые вещества», — отметил Грэник.
Теперь материаловеды создают из этих «элементарных слоев» более сложные плоские структуры. Меняя размер сферы или пропорции полос на них, можно варьировать симметрию получаемых структур и размер пор. Кроме того, разработанная технология самоорганизации частиц может послужить, например, созданию микрочипов.