Специалисты Массачусетского технологического института разработали инновационную методику получения материалов повышенной прочности — в ней задействованы наночастицы, обладающие гибкостью. Благодаря такому пластичному принципу сборки становится проще масштабировать дизайнерские материалы, востребованные в медицине, энергетике и фотонике.
Ирина Петрова
Исследователи из Массачусетского технологического института разработали новый способ управления взаимодействием наночастиц для создания высокоэффективных материалов для фотоники, химического катализа, медицины, сельского хозяйства и т. д. Источник: Роб Макфарлейн / Массачусетский технологический институт
Группа исследователей из Массачусетского технологического института совместно с коллегами из Делавэрского университета поставила под сомнение постулат, который два десятилетия считался незыблемым в нанотехнологиях. Им удалось доказать: жёсткие молекулярные соединители для сборки наночастиц совершенно не обязательны.
Долгое время в науке господствовало убеждение, что гибкость соединителей ведёт к разрушению структуры. Однако коллектив продемонстрировал обратное: сверхгибкие заряженные полимерные связи дают наночастицам возможность самостоятельно перестраиваться. В результате формируются открытые структуры из настраиваемых материалов. Такой пластичный метод сборки облегчает масштабирование материалов для медицины, энергетики и фотоники.
«Сверхрешётки из наночастиц привлекают внимание потому, что позволяют создавать материалы по индивидуальному заказу — то есть выбирать, какие структуры в них встраивать», — пояснил Роб Макфарлейн, профессор металлургии имени Ричарда П. Симмонса (1953) на факультете материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института.
По его словам, речь идёт о принципиально новом подходе к сборке наночастиц, который прежде никто не изучал. «Очень интересно располагать инструментом, настолько противоречащим здравому смыслу. Это полная противоположность тому, во что мы верили 20 лет: будто лиганды-коннекторы обязаны быть жёсткими, а любое отклонение приводит к сбою сборки. Мы показали, что если довести этот подход до крайности, то он работает не хуже», — объяснил Макфарлейн.
Гибкие лиганды
Наночастицы представляют собой крошечные структуры размером до миллиардной доли метра — именно поэтому они служат идеальными строительными блоками для современного материаловедения. Разнообразие форм позволяет применять их в самых разных сферах: от систем доставки лекарств до устройств для хранения энергии.
Однако масштабировать эти крошечные компоненты до более крупных функциональных сверхрешёток оказалось непросто. Стандартные методы сборки опираются на жёсткие соединительные молекулы — лиганды. Такие жёсткие «руки» заставляют наночастицы плотно прилегать друг к другу.
Плотная упаковка годится для базовых структур, но серьёзно ограничивает физические свойства, которые способны приобретать наночастицы. К тому же изготовление нестандартных жёстких форм под каждый новый материал — процесс дорогостоящий и трудоёмкий.
«Мы подумали: давайте сделаем прямо противоположное — сделаем связи настолько гибкими, чтобы не имело значения, в каком направлении они изначально направлены». Затем лиганды могут перестраиваться по мере сближения частиц, и эта перестройка сама по себе ограничивает количество соседей, с которыми может связаться каждая частица», — сказал Макфарлейн.
Масштабируемая настройка
Вместо того чтобы заранее программировать жёсткие углы соединения сложными химическими реакциями, команда создала гибкие полимерные «руки» с электрически заряженными кончиками. Гибкие цепочки изгибаются и растягиваются, дотягиваясь до ближайших «партнёров», поскольку противоположные заряды притягиваются.
При соединении наночастиц гибкие элементы связи самопроизвольно перестраиваются, обеспечивая максимальную стабильность соединения. Используя эту способность к саморегуляции, которая ограничивает число соседей, связывающихся с каждой частицей, исследователи могут настраивать структуру сети. Более того, полный контроль над получаемым материалом достигается изменением размеров наночастиц, длины лигандов или общего электрического заряда.
Путём естественной молекулярной деформации учёным удалось получить кристаллические решётки, которых прежде не существовало. Снижение плотности сетей из наночастиц открывает ключевые технологические возможности: точный контроль света для фотоники, открытые структуры для химического катализа и «умные» гидрогели для адресной доставки лекарств.
Данная разработка сокращает разрыв между теоретическим контролем над наночастицами и их практическим применением. Ставка на гибкость вместо жёсткости даёт материаловедам шанс создавать индивидуальные материалы с нуля. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Materials.
Значение метода и его перспективы
По словам исследователей, ключевое преимущество нового метода заключается в его универсальности. Гибкие заряженные полимеры не требуют индивидуального подбора под каждую комбинацию частиц, что существенно снижает стоимость и трудоёмкость производства.
Достаточно изменить несколько параметров системы — размер частиц, длину цепочек или величину заряда, — чтобы получить материал с заданными характеристиками. Такой подход делает масштабирование реалистичным не только в лабораторных, но и в промышленных условиях.
Отдельный интерес представляет поведение системы при изменении внешних условий. Поскольку связи удерживаются электростатическими силами, а не жёсткой геометрией молекул, структура способна обратимо перестраиваться в ответ на изменения температуры, кислотности среды или ионной силы раствора. Это открывает путь к созданию адаптивных материалов, реагирующих на окружающую среду без внешнего управления.
Практические перспективы команда связывает прежде всего с трёхмерными открытыми сетями. Пониженная плотность упаковки улучшает доступ к поверхности частиц, что важно для катализа и сенсорики, а контролируемые промежутки между узлами позволяют точнее управлять распространением света. В медицине подобные гидрогели могут использоваться как носители лекарств с регулируемой скоростью высвобождения.
Авторы подчёркивают, что работа носит фундаментальный характер и меняет сами принципы проектирования наноматериалов. Отказ от жёстких лигандов не означает компромисса в точности сборки — напротив, гибкость становится инструментом управления структурой.
Дальнейшие исследования будут направлены на расширение набора совместимых полимеров и проверку подхода на частицах различной формы и химического состава.
