Nanocluster organisieren sich selbst zu zentimetergroßen hierarchischen Anordnungen

Die Natur mag ein Vakuum verabscheuen, aber sie liebt Strukturen. Komplexe, selbstorganisierte Anordnungen finden sich überall in der Natur, von Doppelhelix-DNA-Molekülen bis zu den photonischen Kristallen, die Schmetterlingsflügel so farbenfroh und schillernd machen.

Ein von Cornell geleitetes Projekt hat synthetische Nanocluster geschaffen, die diese hierarchische Selbstorganisation von der Nanometer- bis zur Zentimeterskala über sieben Größenordnungen nachahmen können. Die resultierenden synthetischen Dünnfilme haben das Potenzial, als Modellsystem zur Erforschung biomimetischer hierarchischer Systeme und zukünftiger fortschrittlicher Funktionen zu dienen.

Das Papier der Gruppe, „Multiscale Hierarchical Structures from a Nanocluster Mesophase“, veröffentlicht am 14. April in Naturmaterialien.

Bisher war die größte Hürde für die Herstellung dieser Art von synthetischem Nanomaterial das Fehlen von nanoskaligen Bausteinen mit der notwendigen Vielseitigkeit, um über viele Längenskalen hinweg zu interagieren und es ihnen zu ermöglichen, sich in komplexen Strukturen zu organisieren, wie sie in Biomolekülen zu finden sind.

Also wandte sich ein Team unter der Leitung der Co-Senior-Autoren Richard Robinson, außerordentlicher Professor für Materialwissenschaft und -technik am College of Engineering, und Tobias Hanrath, Professor an der Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering, Cadmiumsulfid zu, einem bewährten echtes Material für die Nanopartikelforschung.

Im Gegensatz zu früheren Versuchen, die Verbindung zu synthetisieren, führte die Gruppe eine hochkonzentrierte Version der Synthese durch, die sehr wenig Lösungsmittel verwendete. Der Prozess erzeugte „Cluster in magischer Größe“ aus 57 Atomen mit einer Länge von etwa 1,5 Nanometern. Jedes dieser Nanopartikel hatte eine Hülle aus Liganden – speziellen Bindungsmolekülen – die so miteinander interagieren konnten, dass sie Filamente bildeten, die mehrere Mikrometer lang und Hunderte von Nanometer breit waren. Die Filamente waren laut Robinson „regelmäßig mit diesen Clustern in magischer Größe verziert, wie eine Autobahn aus Autos, mit perfektem Abstand zwischen ihnen“.

„Wenn Sie auf die Vorderseite des Filaments hinunterschauen, in die Mitte, ist es sowohl radial organisiert als auch hexagonal strukturiert“, sagte er. „Und weil diese strukturierten Filamente attraktive Verflechtungen aufweisen, stellt sich heraus, dass sie sich, wenn sie unter den richtigen Bedingungen getrocknet werden, mit Fernordnung selbst zusammensetzen.“

Bemerkenswerterweise wurden die Filamente durch sorgfältige Kontrolle der Verdampfungsgeometrie zu größeren Kabeln verdrillt, die Hunderte von Mikrometer lang sind, und die Kabel dann zusammengebündelt und zu hochgeordneten Bändern ausgerichtet, was schließlich zu einem dünnen Film führte, der im Zentimetermaßstab gemustert ist.

„Normalerweise kann man nichts synthetisieren, das eine hierarchische Organisation vom Nanometer bis zu sieben Größenordnungen größer hat. Ich denke, das ist wirklich die besondere Sauce“, sagte Robinson. „Die Anordnungen ahmen viele interessante Naturprodukte nach – natürliche Mineralisierung, natürliche Photonik – Dinge, die in der Natur vorkommen und die wir im Labor nicht erfolgreich reproduzieren konnten.“

Die Mischung aus organischen und anorganischen Wechselwirkungen verleiht den Clustern in magischer Größe die Fähigkeit, Filme mit perfekten periodischen Mustern zu erzeugen. Dass der dünne Film das ganze Spektrum eines Regenbogens abbilden kann, was die Forscher demonstrierten, ist ein Beweis für seine makellose Struktur.

„Es ist wahrscheinlich, dass die Leute das noch nie zuvor gesehen haben, weil die meisten Synthesen bei niedrigen Konzentrationen durchgeführt wurden, also hat man viel Lösungsmittel. Sie haben nicht die gleichen Ligand-Ligand-Wechselwirkungen“, sagte er. „Das haben wir geändert. Wir haben die Skala um einen Klick auf die Dezimalstelle verschoben, und wir haben diese lösungsmittelfreie Synthese geschaffen.“

Einer der faszinierendsten Aspekte des Nanomaterialfilms ist, dass er chirale optische Eigenschaften aufweist – die nichtsymmetrische Absorption von polarisiertem Licht – die sich wahrscheinlich auf Nanopartikelebene manifestieren, und diese Eigenschaft wird bis in den makroskopischen Maßstab verstärkt. Die dünnen Filme haben auch einige überraschende Ähnlichkeiten mit Flüssigkristallen.

Um das Verhalten der Selbstorganisation besser zu verstehen, konsultierten Robinson und Hanrath eine Gruppe von Mitarbeitern.

Lena Kourkoutis, außerordentliche Professorin für angewandte und technische Physik, kümmerte sich um die Elektronenmikroskopie, die es dem Team ermöglichte, zu sehen, wo sich die Nanopartikel innerhalb der Filamente befanden. Julia Dshemuchadse, Assistenzprofessorin für Materialwissenschaft und -technik, theoretisierte die Regeln, die den Aufbau und die Stabilität der Filamente bestimmen. Forscher der University of Toronto und des Rochester Institute of Technology schätzten die Wechselwirkungen zwischen den elektrischen Dipolen, die die Cluster ausrichten, und entwickelten ein theoretisches Modell, das zeigte, warum die Verdampfungsmethode dazu führte, dass die Nanocluster jeweils einen so perfekt periodischen Film bildeten.

Die Entdeckung der bemerkenswerten Mehrskalenstrukturen eröffnet neue Wege zur Entwicklung von Technologien, die ihre aufkommenden chiroptischen Eigenschaften nutzen.

„Die einzigartigen Licht-Materie-Wechselwirkungen dieser chiroptischen Metamaterialien können für eine Reihe potenzieller Anwendungen genutzt werden, von Sensorik, Katalyse und Detektoren für zirkular polarisiertes Licht bis hin zu weiterführenden Perspektiven in Spintronik, Quantencomputer und Holographie“, sagte Hanrath.