Nanogroße Blöcke bilden im Wasser spontan winzige schwimmende Schachbretter

Forscher haben nanogroße Würfel entwickelt, die spontan ein zweidimensionales Schachbrettmuster bilden, wenn sie auf eine Wasseroberfläche fallen. Die Arbeit, die in Naturkommunikationstellt einen einfachen Ansatz zur Erstellung komplexer Nanostrukturen durch eine Technik namens Selbstassemblierung dar.

„Es ist eine coole Möglichkeit, Materialien dazu zu bringen, sich selbst aufzubauen“, sagte Andrea Tao, Co-Autorin der Studie und Professorin am Institut für Chemie- und Nanotechnik der Aiiso Yufeng Li Family an der University of California San Diego. „Man muss nicht in ein Nanofabrikationslabor gehen und all diese komplexen und präzisen Manipulationen durchführen.“

Jeder Nanowürfel besteht aus einem Silberkristall, an dessen Oberfläche eine Mischung aus hydrophoben (öligen) und hydrophilen (wasserliebenden) Molekülen haftet. Wenn eine Suspension dieser Nanowürfel auf eine Wasseroberfläche gebracht wird, ordnen sie sich so an, dass sie sich an ihren Eckkanten berühren. Diese Anordnung erzeugt ein abwechselndes Muster aus vollen Würfeln und leeren Flächen, was ein Schachbrettmuster ergibt.

Der Selbstorganisationsprozess wird durch die Oberflächenchemie der Nanowürfel gesteuert. Eine hohe Dichte hydrophober Moleküle auf der Oberfläche bringt die Würfel zusammen, um ihre Wechselwirkung mit Wasser zu minimieren. Gleichzeitig verursachen die langen Ketten hydrophiler Moleküle eine ausreichende Abstoßung, um Hohlräume zwischen den Würfeln zu erzeugen und so das Schachbrettmuster zu erzeugen.

Um die Struktur herzustellen, träufelten die Forscher Tropfen der Nanowürfel-Suspension auf eine Petrischale mit Wasser. Das entstandene Schachbrett kann leicht auf ein Substrat übertragen werden, indem man das Substrat ins Wasser taucht und langsam wieder herauszieht, sodass die Nanostruktur es überzieht.

Diese Studie ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit mehrerer Forschungsgruppen des UC San Diego Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC). Die Arbeit zeichnete sich durch eine synergetische Kombination von rechnerischen und experimentellen Techniken aus. „Wir haben eine kontinuierliche Rückkopplungsschleife zwischen unseren Berechnungen und Experimenten aufgebaut“, sagte Tao.

„Wir haben Computersimulationen verwendet, um die Materialien im Nanomaßstab zu entwerfen und ihr Verhalten vorherzusagen. Außerdem haben wir unsere experimentellen Ergebnisse im Labor genutzt, um die Simulationen zu validieren, sie zu verfeinern und ein besseres Modell zu erstellen.“

Bei der Entwicklung des Materials entschieden sich die Forscher für Nanowürfel aus Silberkristallen, da das Tao-Labor über die nötige Erfahrung bei der Synthese dieser verfügt. Die Bestimmung der optimalen Oberflächenchemie erforderte umfangreiche Computerexperimente, die von Gaurav Arya geleitet wurden, einem Professor der Fakultät für Maschinenbau und Materialwissenschaften an der Duke University und Co-Seniorautor der Studie.

Die Simulationen ermittelten die besten Moleküle, die sich an die Nanowürfel anlagern sollten, und sagten voraus, wie die Würfel auf der Wasseroberfläche interagieren und sich anordnen würden. Die Simulationen wurden mithilfe experimenteller Daten aus Taos Labor schrittweise verfeinert. Elektronenmikroskopie, die im Labor des Co-Autors der Studie, Alex Frañó, Professor am Fachbereich Physik der UC San Diego, durchgeführt wurde, bestätigte die Bildung der gewünschten Schachbrettstrukturen.

Tao sieht Anwendungen für das Nanowürfel-Schachbrett in der optischen Sensorik. „Eine solche Nanostruktur kann Licht auf interessante Weise manipulieren“, erklärte sie. „Die Räume zwischen den Würfeln, insbesondere in der Nähe der Eckkanten, an denen die Würfel verbunden sind, können als winzige Hotspots wirken, die Licht fokussieren oder einfangen. Das könnte für die Herstellung neuer Arten optischer Elemente wie Nanofilter oder Wellenleiter nützlich sein.“

Die Forscher planen, in zukünftigen Studien die optischen Eigenschaften des Schachbretts zu untersuchen.