Illionisi Ülikooli ja Northwesterni Ülikooli teadlased demonstreerisid loodusest inspireeritud struktuure, mis moodustavad lihtsatest ehituskividest, sfääridest, korrapäraseid struktuure.
Illinoisi Ülikooli teadlased valmistasid pisikesed sfäärid, mis vees omavahel tõmbuvad, moodustades nii supermolekul-struktuure. Vasakult: Qian Chen, Sung Chul Bae, Jonathan Withmer, Steve Granick. (Pilt: L. Brian Stauffer)
Spiraalsed ‘supermolekulid’ koosnevad aatomite või molekulide asemel hoopiski väikestest kolloidkerakestest. Sarnaseid meetodeid saaks kasutada uute, keerukate kolloidmolekulide funktsionaalsusega materjalide valmistamiseks, vahendab ScienceDaily.com.
,,Me saame nüüd valmistada terve hulga tarkasid materjale, avades nii ukse seesugusele funktsionaalsusele, mille olemasolu me varem ettegi kujutada ei osanud,” sõnas Steve Granick, materjaliteaduse ja -tehnoloogia, keemia ja füüsika professor Illinoisi Ülikoolis.
Granicki töörühm valmistas pisikesed lateksist sfäärid, nn. Janus’e sfäärid, mis vette asetatult üksteist ühe poole pealt ligi tõmbavad kuid teise poolega eemale tõukavad. Just see kaksipidine käitumine ongi see, mis annab neile sarnaselt aatomite ja molekulidega võime moodustada ebatavalisi struktuure.
Puhtas vees hajuvad osakesed täielikult, sest nende laetud küljed tõukavad üksteist eemale. Lisades lahusesse aga ka soola, vähendavad soola ioonid tõukejõudu niivõrd, et sfäärid lähenevad üksteisele piisavalt, et nende hüdrofoobsed pooled omavahel tõmbuksid. Nende poolte vaheline külgetõmme aitab sfääridel kokku koguneda.
Soola väikeste kontsentratsioonide korral moodustuvad vaid mõnest osakesest koosnevad kogumid. Suurema hulga soola puhul moodustuvad suuremad kogumid, organiseerudes lõpuks ise spiraalse struktuuriga ahelateks.
,,Just nagu aatomid moodustavad molekule, kasvavad need osakesed suprakolloidideks,” selgitas Granick. ,,Selline rada on omavahel keemiliselt reageerivatest aatomitest ja molekulidest rääkides tavapärane, kuid ei mõisteta, et ka osakesed saavad sel viisil käituda.”
Töörühm valmistas sfäärid täpselt õige tõmbejõuga nende hüdrofoobsete poolte vahel, et nad oleksid üksteise küljes kuid samas ka piisavalt liikuvad, et nad saaksid liikuda, ümberorganiseeruda ning et kogumid saaksid kasvada.
,,Külgejäämisel on tõesti suur tähtsus. Võib ju saada midagi, mis on lihtsalt korrastumata osakeste kogumid või kui osakesed tõmbuvad omavahel liialt, saab nende kaunite struktuuride asemel hoopis mingeid kerakujulisi moodustisi,” sõnas artikli üks kaasautoreid Jonathan Whitmer.
Teadlaste välja töötatud supermolekulide üheks eeliseks on nende suurus, mistõttu neid saab reaalajas mikroskoobi abil jälgida. Teadlastel õnnestus jälgida Janus’e sfääride kasvamist kogumikeks ning nende iseorganiseerumist erinevateks struktuurideks ehk nn. isomeerideks.
,,Me disainime neid tarkasid materjale nii, et nad moodustaksid kasulikke kujundeid, mida looduses muidu ei tekiks,” ütles Granick.
Northwesterni Ülikooli materjaliteaduse ja -tehnoloogia ning rakendusmatemaatika professori Erik Luijteni ning ühe tema töögrupi üliõpilase Whitmeri tehtud teoreetilised arvutused ning arvutisimulatsioonid üllatasid, näidates, et kõige tavalisemad spiraalsed struktuurid ei ole energeetiliselt üldsegi eelistatuimad. Sfäärid kogunevad kokku hoopiski viisil, mis on kineetiliselt kõige soodsam.
Järgmisena on teadlastel plaanis uurida kolloidi omadusi, töötades välja üha ebaloomulikumaid struktuure. Erineva suuruse ja kujuga Janus’e osakesed võivad aidata kaasa teiste supermolekulide valmistamiseks ning anda ka rohkem kontrolli nende struktuuri üle.
,,Praegustel osakestel on kindel eelisstruktuur, kuid nüüd, kus me mõistame asja üldist mehhanismi, saame rakendada seda ka teistele süsteemidele – väiksematele osakestele, erinevatele interaktsioonidele – ning proovida valmistada kogumeid mis muudavad kuju,” lausus Granick.
Teadusartikkel “Supracolloidal Reaction Kinetics of Janus Spheres“