Учени използват светлина, за да контролират образуването на кристали

Учени от Нюйоркския университет (NYU) разработиха метод за използване на светлина, за да направляват начина, по който микроскопични частици се подреждат в кристали. Изследването, публикувано в списанието Chem на Cell Press, описва прост и обратим подход за изграждане на кристали, който може да подпомогне създаването на нов клас адаптивни материали, съобщава ScienceDaily.

Кристалите се срещат навсякъде в природата и технологиите — от снежинки и диаманти до силиция в електронните устройства. В основата си те представляват частици, подредени в прецизни, повтарящи се структури. За да разберат по-добре как възникват тези структури, изследователите често изучават колоидни частици — малки сфери, суспендирани в течност, които естествено се самоорганизират в подредени структури, известни като колоидни кристали. Тези частици са ключови компоненти и в модерни материали, използвани в оптични и фотонни приложения като сензори и лазери.

Въпреки че кристалите са широко разпространени и изключително полезни, контролът върху това как и кога точно се образуват остава сериозно предизвикателство.

„Предизвикателството в областта винаги е било контролът: кристалите обикновено се формират когато и където пожелаят, а след като условията са зададени, възможностите за промяна в реално време са ограничени“, казва авторът на изследването Стефано Сакана, професор по химия в NYU.

В публикацията си в Chem екипът описва изненадващо прост метод за насочване на кристализацията: осветяване на системата. Изследователите добавили в течност с колоидни частици светлочувствителни молекули, известни като фотоациди. При излагане на светлина тези фотоациди временно стават по-киселинни. Тази промяна влияе на взаимодействието им с повърхността на частиците и променя електрическия им заряд. Чрез регулиране на заряда учените могат да контролират дали частиците ще се привличат и слепват или ще се отблъскват и разделят.

„По същество използвахме светлината като дистанционно управление, за да програмираме как материята се организира в микромащаб“, казва Сакана.

Чрез комбинация от експерименти и компютърни симулации изследователите показват, че чрез регулиране на интензитета, продължителността и модела на осветяване могат да насочват поведението на кристалите с впечатляваща прецизност. Те могат да инициират растежа на кристали или да предизвикат разтварянето им по всяко време. Могат да определят къде ще настъпи кристализация, да променят формата и „извайват“ структурите, както и да подобряват тяхната еднородност и размер, създавайки по-големи и по-сложни колоидни структури.

„Използването на нашия фотоацид ни даде изненадващо високо ниво на контрол върху привличането между частиците. Само леко увеличаване или намаляване на светлината беше достатъчно, за да се премине от пълно слепване към пълно разделяне“, казва съавторът на изследването Стивън ван Кестерен от ETH Zurich, който е провел тази работа в NYU като постдокторант в лабораторията на Сакана.

„Тъй като светлината е толкова лесна за контролиране, успяхме да накараме системата да извършва доста сложни действия. Можехме да насочим светлина към струпвания от частици и да наблюдаваме как те се разтапят под микроскопа, или да осветим така, че случайни групи частици да се подредят в кристали. Можехме също така лесно да премахнем конкретни кристали, като просто „отлепим“ частиците на дадено място“, добавя ван Кестерен.

Съществено предимство на подхода е, че работи като „едносъдов“ експеримент. Екипът не е трябвало да променя дизайна на частиците или многократно да коригира концентрацията на соли в отделни опити. Само чрез промяна на осветеността те са могли да накарат частиците да се подредят в кристали или отново да се разпаднат.

Този пробив отваря път към материали, чиято вътрешна структура — и следователно техните свойства — могат да се настройват със светлина. Например фотонни материали биха могли да променят цвета или оптичния си отговор по заявка — да бъдат „записвани“, изтривани и пренаписвани. Колоидни кристали, програмируеми със светлина, могат в бъдеще да позволят пренастройваеми оптични покрития, адаптивни сензори и следващо поколение технологии за дисплеи и съхранение на данни, при които моделите и функциите се определят динамично чрез осветяване, а не се фиксират още при производството.

„Нашият подход ни доближава до динамични, програмируеми колоидни материали, които могат да се преконфигурират при нужда“, казва съавторът Глен Хоки, доцент по химия и преподавател в Simons Center for Computational Physical Chemistry към NYU. „Системата ни позволява също да тестваме редица прогнози за това как трябва да се държи самоорганизацията, когато взаимодействията между частици или молекули се променят в пространството и времето.“