Обнаружено 20 новых самособирающихся кристаллических форм
Подобно бормотанию скворцов или косяку рыб, некоторые формы могут создавать узоры из беспорядка таким образом, что кажется, что для этого требуется направляющий разум или, по крайней мере, жизнь. В наших знаниях о характеристиках, которые позволяют этому происходить, все еще есть серьезные пробелы, но двое ученых добились достаточного прогресса, чтобы использовать целевое открытие для идентификации компонентов, которые будут самособираться в кристаллы, которые никогда раньше не наблюдались.
Способность молекулярных строительных блоков к самосборке может быть чрезвычайно полезной, но ее все же обнаруживают случайно или методом проб и ошибок. Хиллари Пэн и Джулия Дшемучадзе из Корнельского университета решили изменить это, определив «потенциал взаимодействия» форм в симуляциях, а затем изменив характеристики, чтобы увидеть, будут ли они объединяться в кристаллы. В новой статье, опубликованной в ACS Nano, они объявляют, что в результате работы были получены 20 ранее неизвестных кристаллических структур.
«Для разработки самособирающихся кристаллов важно знать, какие структуры возможны, а также взаимодействия между частицами, которые будут формировать эту структуру», — пишут Пан и Дшемучадзе. Некоторые из этих особенностей были выявлены. Они приводят пример крутого отталкивающего взаимодействия между молекулами в паре с притягивающим колодцем, который образует хорошо скоординированные структуры, упаковывающие сферические формы.
Однако наше понимание того, как работают взаимодействия дальнего действия для молекулярных зарядов, остается недостаточным. В результате некоторые структуры формируются неожиданно. Авторов интересует формирование полых каркасов, способных удерживать атомы или молекулы внутри. Один пример, цеолиты, были нашим ключевым источником знаний о ранней Земле, с радиоактивными изотопами внутри этих прочных кристаллов, позволяющих нам определять возраст горных пород по пропорции, которая распалась.
Совсем недавно другая категория самособирающихся пористых структур, каркасы из оксида металла (MOF) привлекли внимание из-за способности улавливать и хранить большое количество газов и загрязняющих веществ. Возможность идентифицировать молекулы, которые будут самособираться, с помощью целевого обнаружения может привести нас к другим потенциальным приложениям.
Пан и Дшемучадзе начали с моделирования молекулы, состоящей из семи энергетических потенциалов двух распространенных типов. Затем они настраивали один аспект этих виртуальных частиц за раз и моделировали, как их творения будут взаимодействовать, ища те, которые объединялись бы в высокоупорядоченные структуры, определяющие кристаллы. Создание физических копий не всегда будет легким. Ученые признают, что некоторые из них «имеют локальную среду, редкую в атомном масштабе».
«По сути, мы пытались выяснить, какие типы новых конфигураций кристаллической структуры мы можем самостоятельно собрать в моделировании», — сказала Пан. «Самым захватывающим было то, что мы обнаружили новые структуры, которые ранее не были перечислены ни в одной базе данных по кристаллическим структурам; эти частицы на самом деле собираются в нечто, чего никто никогда раньше не видел».
Самособирающиеся формы измеряются их координационными числами, при этом низкая координация частиц связана с некоторыми особенно полезными кристаллами. Структуры с низкой координацией имеют высоконаправленную геометрию. Несмотря на то, что Пан и Дшемучадзе использовали в своих поисках чисто ненаправленные взаимодействия, 14 идентифицированных кристаллов имеют низкие координационные числа.
Работа охватывает лишь небольшую часть потенциальных структур, учитывая широкий диапазон изменений, которые можно было внести в исходные частицы.
Обсудим?
Смотрите также:
