Исследователи разработали метод создания высокоточных узоров на поверхности наночастиц, вдохновившись техникой художника с трафаретами. Это позволяет «рисовать» на золотых наночастицах полимерами, придавая им разнообразные формы и функции.
«Лоскутные наночастицы»
Учёные из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне совместно с коллегами из Мичиганского университета и Пенсильванского государственного университета создали «лоскутные наночастицы». Их можно производить большими партиями и использовать в различных электронных, оптических или биомедицинских приложениях, а также в качестве строительных блоков для новых сложных материалов и метаматериалов.
Под руководством профессора материаловедения и инженерии Цянь Чэнь исследователи опубликовали свои [находки](https://www.nature.com/articles/s41586-025-09605-8) в журнале Nature.
Проблема организации наночастиц
«Одной из главных задач в области наноматериалов является создание сложных функциональных структур из наноразмерных строительных блоков. Однако крайне сложно контролировать направление и организацию каждой наночастицы, особенно при получении материалов, выходящих за рамки простой плотной упаковки», — говорит Чэнь.
Стратегия создания узоров
Учёные заимствовали стратегию у природы: белки имеют различные поверхностные домены, и за счёт их взаимодействия образуются сложные механизмы, которые мы наблюдаем в биологии. Поэтому они создали наночастицы с «лоскутами» или отдельными доменами на поверхности.
Однако возникла проблема: как прикрепить «лоскуты» по контролируемому дизайну или в больших масштабах. Аюнг Ким, соавтор статьи, во время учёбы в лаборатории Чэнь посещала художественные курсы и узнала там технику трафаретной печати, которая использует маску для нанесения сложного узора на изогнутый предмет керамики. Она поняла, что такую технику можно применить и к наночастицам.
Использование галогенидных атомов
«Мы знаем, что галогенидные атомы, такие как йодид, хлорид или бромид, адсорбируются на металлах. Мы также знаем, что разные грани металлической наночастицы имеют разную адсорбционную способность. Поэтому мы можем покрыть некоторые поверхности золотой наночастицы всего одним слоем йодида, а другие — органическим грунтом. Затем мы можем ввести полимер, и он просто прилипает к граням с органическим праймером. Йодид маскирует другие грани», — объясняет Ким, которая сейчас является докторантом Калифорнийского технологического института.
Группа Чэнь сотрудничала с группой профессора Пенсильванского государственного университета Кристен Фичтхорн, чтобы изучить динамику конкурентного связывания йодида и органического праймера на гранёных золотых наночастицах и разработать схемы маскировки.
Компьютерное моделирование
Группа Чэнь сотрудничала с профессором Мичиганского университета Шэрон Глотцер, чтобы создать библиотеку возможных «лоскутных» частиц и сборок, которые можно получить с помощью трафаретной техники. Они использовали [компьютерное моделирование](https://phys.org/tags/computer+simulations/), чтобы предсказать, как полимеры будут располагаться внутри трафаретных узоров, а затем как полученные «лоскутные» частицы будут собираться в более крупные кристаллические структуры. Группа Чэнь экспериментально подтвердила моделирование, создав более 20 различных «лоскутных» наночастиц.
«Компьютерное моделирование позволяет нам исследовать огромное пространство возможных узоров „лоскутных“ частиц быстрее, чем это могут сделать эксперименты. Сотрудничая с экспериментаторами и используя их данные для разработки и проверки нашей компьютерной модели, мы вместе можем открыть гораздо больше, чем с помощью только экспериментов или моделирования», — говорит Глотцер.
Потенциал атомного трафарета
«Атомный трафарет» позволяет синтезировать партии «лоскутных» частиц с гораздо более сложными узорами, чем это было возможно за последние 25 лет исследований в области нанонауки, и упростит самосборку всё более сложных структур из наночастиц.
Поскольку частицы имеют на своих поверхностях несколько функциональных областей, они взаимодействуют иначе, чем другие наночастицы, и собираются в новые структуры с потенциалом для создания метаматериалов — инженерных материалов с уникальными световыми и звуковыми свойствами, — говорит аспирант Иллинойского университета Чансон Ким, соавтор статьи. Кроме того, техника маскировки может применяться ко многим другим типам наночастиц и функциональных групп, а не только к золоту и полимерам, сказал Чансон Ким.
«Вы можете использовать разные материалы для наночастиц и разные типы ионов в качестве маски, чтобы генерировать огромное разнообразие материалов, — сказал Чансон Ким. — И мы можем производить их большими партиями. Мы считаем, что на основе различных комбинаций материалов эта техника может создавать уникальные материалы с новыми свойствами и приложениями. У неё неограниченный потенциал».
Предоставлено [Университетом Иллинойса в Урбане-Шампейне](https://phys.org/partners/university-of-illinois-at-urbana-champaign/).