Представьте себе башню, которая возводит сама себя, стоит лишь выбрать подходящие кирпичи. Абсурдно, но именно это происходит в наномире: неупорядоченные компоненты могут начать формирование упорядоченной структуры — процесс, известный как самосборка. Физики Кристос Ликос (University of Vienna), Эмануэла Бьянчи и Герхард Каль (Vienna University of Technology) выяснили, как можно контролировать начало самосборки конструкций и нашли способы включать и выключать процесс сборки.
Материалы, обладающие особыми свойствами на нано- и микро уровне, востребованы в силу перспектив их применения в электронике, фотовольтаике и синтезе биомиметических материалов. Многие из этих приложений требуют создания мезоскопических кристаллических структур, что ставит перед учеными задачу разработки надежных, эффективных и дешевых способов получения целевой структуры с заданной симметрией и физическими свойствами. Сегодня, вместо того, чтобы полагаться на управляемые извне станки, большинство методов изготовления основаны на самосборке тщательно подобранных (или синтезированных) базовых элементов.
В области создания функциональных нано- и микроматериалов, реализация одно- и двухслойной сборки на поверхности имеет первостепенную значимость. Малоразмерные системы с четко определенными функциями применимы в создании просветляющих покрытий, биосенсоров, систем хранения данных, оптических и фотоэлектрических устройств, катализаторов. Свойства этих материалов сильно зависит от тонкого взаимодействия сборочной единицы и поверхности-основы.
Ученые сосредоточились на наночастицах, имеющих сложную структуру поверхности, состоящую из регионов с разным поверхностным зарядом. Исследуемые частицы, в основном, отрицательно заряжены, за исключением положительно заряженных полярных регионов в верхней и нижней части частиц. Подобные неоднородно заряженные частицы встречаются либо в биосистемах, например, таковы вирусные капсиды и белки, или в синтезируемых системах, примером могут служить вирусообразные наночастицы, пятнистые пузырьки и нанокубики, покрытые определенными металлами.
Исследователи сосредоточили усилия на самосборке неоднородно заряженных частиц на однородно заряженном субстрате. Компьютерное моделирование показало, какие сложные структуры могут самопроизвольно возникать на наномасштабном уровне и как можно надежно контролировать агрегацию частиц в конкретную квазидвумерную структуру.
В зависимости от таких параметров, как вид частицы, сила заряда и расположение заряженных регионов на поверхности частиц, могут быть получены покрытия разной плотности (и, возможно, отличающиеся по реакции на внешние раздражители). Иногда частицы собираются в плотноупакованные, гексагональные кристаллические агрегаты, иногда собираются в форме квадрата, иногда не собираются.
Работа австрийских ученых важна для понимания многообразия самоорганизующихся структур, зависящих от выбора базовых элементов и определения условий, необходимых для управления параметрами самоорганизующихся систем.
Главным и самым важным результатом своей работы исследователи считают получение данных о том, что небольшое изменение уровня кислотности раствора или силы электрического заряда подложки может быть сигналом к включению и выключению процесса самосборки, и даже к трансформации из одной пространственной/ориентационной композиции в другую.
