Резюме: синтетические микрочастицы, более сложные, чем некоторые из самых сложных, обнаруженных в природе, были произведены международной командой под руководством Мичиганского университета. Они также исследовали, как эта сложность возникает, и придумали способ ее измерения.
Полученные результаты прокладывают путь к более стабильным смесям жидкостей и частиц, таким как краски, и новым способам скручивания света, что является предпосылкой для голографических проекторов.
Частицы состоят из закрученных шипов, расположенных в шаре размером в несколько микрон или миллионных долей миллиметра в поперечнике.
Биология - великий создатель сложности наноскопов и микроскопов, с шиповидными структурами, такими как пыльца растений, иммунные клетки и некоторые вирусы. Среди наиболее сложных природных частиц в масштабе новых синтетических частиц - коклюшечные кокколитофоры. Водоросли этого типа диаметром в несколько микрон известны тем, что вокруг них строятся сложные известняковые панцири. Чтобы лучше понять правила, которые регулируют рост таких частиц, ученые и инженеры пытаются сделать их в лаборатории. Но до сих пор не было формализованного способа измерить сложность результатов.
"Цифры правят миром, а умение точно описывать шиповидные формы и ставить число на сложность позволяет нам использовать новые инструменты, такие как искусственный интеллект и машинное обучение, при проектировании наночастиц", - сказал Николай Котов, Джозеф Б. и Флоренс В. Сейка, профессор инженерного факультета U-M, который руководил проектом.
Команда, в которую входят исследователи из Федерального университета Сан-Карлуса и Университета Сан-Паулу в Бразилии, а также Калифорнийского технологического института и Университета Пенсильвании, использовала новые рамки, чтобы продемонстрировать, что их частицы даже сложнее, чем кокколитофоры.
Вычислительное подразделение группы, возглавляемое Андре Фариасом де Моура, профессором химии в Федеральном университете, исследовало квантовые свойства частиц и силы, действующие на наноразмерные строительные блоки.
Одним из ключевых игроков в создании сложности может быть хиральность - в этом контексте тенденция следовать по часовой или против часовой стрелки. Цистеин поставляется в двух зеркальных формах, одна из которых заставляет золотые листы складываться в стопку по часовой стрелке, а другая склоняется к повороту против часовой стрелки. В случае самой сложной частицы, шиповидного шара с закрученными шипами, каждый золотой лист покрывался одной и той же формой цистеина.
Команда также контролировала другие взаимодействия. Используя плоские наночастицы, они создавали шипы, которые были плоскими, а не круглыми. Они также использовали электрически заряженные молекулы, чтобы гарантировать, что наноразмерные компоненты встроены в более крупные частицы, больше, чем несколько сотен нанометров в поперечнике, из-за отталкивания.
"Эти законы часто противоречат друг другу, и сложность возникает из-за того, что эти сообщества наночастиц должны удовлетворять все", - говорит Котов, профессор материаловедения и инженерии, а также макромолекулярной науки и инженерии.
И эта сложность может быть полезна". Наноразмерные шипы на таких частицах, как пыльца, не позволяют им слипаться воедино". Аналогичным образом, шипы на этих частицах, сделанные группой исследователей, помогают им рассеиваться практически в любой жидкости, свойство, которое полезно для стабилизации смесей твердых и жидких веществ, таких как краски".
Микрочастицы со скрученными шипами также принимают ультрафиолетовый свет и в ответ излучают скрученный - или круговой поляризованный - видимый свет.
"Понимание этих излучений было одной из самых трудных частей исследования", - сказал де Моура.
Из результатов экспериментов и симуляций видно, что ультрафиолетовая энергия поглощалась в сердцах частиц и преображалась через квантово-механические взаимодействия, становясь к тому времени, когда она выходила через изогнутые шипы, кольцеобразно поляризованным видимым светом.
Исследователи полагают, что раскрытая ими тактика может помочь ученым создать частицы, которые улучшают биосенсоры, электронику и эффективность химических реакций.