MIT-Forscher nutzen flexible molekulare Verbindungen, um neue Nanopartikel-Kristallstrukturen zu schaffen

Eine Umkehr von 20 Jahren Denken in der Materialwissenschaft

MIT-Forscher und ihre Mitarbeiter haben entdeckt, dass flexible molekulare Verbindungen Nanopartikel-Kristallstrukturen schaffen können, die noch nie zuvor beobachtet wurden. Die Erkenntnis stellt eine langjährige Annahme in der Materialwissenschaft in Frage, dass Konnektor-Liganden starr sein müssen, um Nanopartikel in geplanten Anordnungen zu halten.

"Dies ist ein neuer Ansatz in der Nanopartikel-Assemblierung, der zuvor nicht untersucht wurde. Es ist aufregend, ein neues Werkzeug zu haben, das so kontraintuitiv ist. Es ist das genaue Gegenteil von dem, was das Dogma seit 20 Jahren war: dass Sie Konnektor-Liganden starr machen müssen und jede Abweichung dazu führt, dass die Assemblierung fehlschlägt. Wir haben gezeigt, dass es genauso gut funktioniert, wenn man es einfach ganz ins Gegenteil treibt", sagt Rob Macfarlane, der Richard P. Simmons (1953) Professor für Metallurgie am Department of Materials Science and Engineering des MIT.

Wie die neue Methode funktioniert

Das Team stattete Nanopartikel mit hochflexiblen Liganden aus, die an ihren Enden elektrische Ladungen tragen. Einige Konnektoren haben positive Ladungen und andere negative Ladungen. Da sich entgegengesetzte Ladungen anziehen, biegen sich die Konnektormoleküle zu Partnern mit der entgegengesetzten Ladung, wodurch Nanopartikel zusammengefügt werden.

Die Forscher verwendeten Goldnanopartikel mit Liganden aus einem gängigen, schlappen Polymer namens PEG, das mit positiven oder negativen Ladungen versehen ist. Computersimulationen wurden ebenfalls durchgeführt, um zu verfolgen, was das Experiment zeigte. Ohne Steifigkeit bündelten sich die Liganden dort, wo die Partikel berührten, und begrenzten so die Anzahl der möglichen Verbindungen.

Durch die Änderung der Größen der Nanopartikel und der Längen ihrer flexiblen molekularen Ketten konnte das Team steuern, wie viele benachbarte Partikel jedes einzelne verband. Kleinere Partikel führten zu weniger Verbindungen.

Neue Kristallstrukturen und potenzielle Anwendungen

Die Methode erzeugte geordnete Kristallstrukturen, die noch nie zuvor gesehen wurden. Diese Nanopartikelanordnungen, oft Superlattices genannt, sind offener als die dicht gepackten Strukturen, die häufig bei der Nanopartikel-Assemblierung entstehen.

"Ohne vorab festlegen zu müssen, wo die Partikel verbunden werden oder wie ihre Formen sind, können wir die Anzahl der Bindungen steuern, die jedes Partikel hat", erklärt Macfarlane. "Die Menge an Flexibilität des Polymers bestimmt, wie viele Bindungen es hat. Es ermöglicht uns, die Anzahl der Bindungen pro Partikel zu senken und Gitter zu schaffen, die wir noch nie zuvor gesehen haben."

Die Forscher sagen, dass der Ansatz Entwicklungen in der Photonik, chemischen Katalyse, Medizin, Landwirtschaft, Elektronik und Energietechnologie unterstützen könnte. Die Funktionalität der neuen Materialien muss noch untersucht und getestet werden.

Das Forschungsteam umfasste den MIT-PhD-Kandidaten Nicholas Sbalbi, den Doktoranden der University of Delaware Stephen Kronenberger, die MIT-Untergraduierte Hana Shinzawa, Matthew Ye PhD '26 und Arthi Jayaraman, eine ehemalige Professorin an der University of Delaware. Die Ergebnisse wurden in Nature Materials veröffentlicht. Die Forschung erhielt teilweise Unterstützung von der National Science Foundation, dem Department of Energy, der U.S. Army und der U.S. Navy.

Warum es wichtig ist

Die Kontrolle darüber, wie sich Nanopartikel anordnen, bestimmt, wie sich ein Material verhält. Der neue Ansatz gibt Wissenschaftlern eine Möglichkeit, Designermaterialien mit präzise konstruierten Eigenschaften zu schaffen, ohne die komplizierten Fertigungstechniken, die traditionelle Methoden erfordern. Die nächsten Schritte werden sein, mit anderen Partikelmaterialien und Ligandkombinationen zu experimentieren und die Materialien in realen Szenarien zu testen.

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Quellen (auf Englisch)

• sciencedaily.com: MIT scientists break a 20-year rule and unlock never-before-seen crystal structures | ScienceDaily
• sciencealert.com: MIT Scientists Break a 20-Year Rule And Unlock Never-Before-Seen Crystal Structures : ScienceAlert

KI-Übersetzung des englischen Originalartikels, automatisch geprüft, damit sie dasselbe aussagt wie das Original. Die Quellen wurden auf Englisch geprüft.