Исследователи из Массачусетского технологического института научились делать вогнутые мультивалентные коллоидные наночастицы.

Самособирающиеся структуры из коллоидных частиц имеют много применений в биологии как химические датчики и как фотонные кристаллы. Управление формой и «валентностью» коллоидной частицы очень важно, так как это определяет трехмерные решетки собранной структуры. Уже предпринимались попытки изготовить частицы со сложными формами. Большинство частиц с анизотропной формой собраны из сфер или модификаций сферических частиц. Интерференционная литография — один из немногих методов, которые могут обеспечить прямой и систематический контроль над симметрией и объемной фракцией трехмерной структуры. Она включает простое создание интерференционных образцов в фоторезистных системах и последующей «чеканке» родительской структуры в процессе высыхания. Исследователи теперь представили новый поверхностный и высокопродуктивный путь изготовления очень несферических сложных мультивалентных наночастиц. Этот метод использует способность голографической интерференционной литографии (http://en.wikipedia.org/…_lithography) управлять топологией сети. Данные результаты исследования могут послужить основой для того, чтобы установить и продемонстрировать контроль над формой коллоидных наночастиц.

«По сравнению с предыдущими методами, типа микрофильмируемой литографии и сборки и агломерации сферических частиц в литографически определенном колодце (впадине), наш подход дает нам доступ к более сложному и точному управлению формами с намного более высокой производительностью, так как мы имеем 3-мерное поле деятельности» — объясняет доктор Эдвин Л. Томас (Edwin L. Thomas, http://eltweb.mit.edu/index.html).

Томас — профессор и глава кафедры материаловедения и машиностроения в Массачусетском технологическом институте (MIT), а также директор MIT Института Нанотехнологий для Солдата (Institute for Soldier Nanotechnologies, http://web.mit.edu/ISN/). В недавней статье в Nano Letters ("Управление формой мультивалентных трехмерных коллоидных частиц с помощью интерференционной литографии ", http://dx.doi.org/…21/nl0626277), он и его команда сообщают об использовании голографической интерференционной литографии (ГИЛ) как легком и высокопроизводительном методе изготовления сложных частиц полимера с управляемыми: симметрией, размером и сильно несферическими формами.

ГИЛ включает формирование постоянного пространственного изменения интенсивности, созданной интерференцией двух или больше пучков света. Образец, который определяется распределением интенсивности, действует на светочувствительную среду, например, с фотосопротивлением, что приводит к образованию структур.

«Важно, что соответствующим выбором параметров луча можно управлять геометрическими элементами и объемными фракциями структур, — указывает доктор Чжи-Хюн Джанг (Ji-Hyun Jang), первый автор работы. — Наши мультивалентные частицы изготовлены созданием несвязанных ГИЛ-структур на отрицательном фотосопротивлении. Манипуляции с экспериментальными параметрами интенсивности, поляризации, фазы и волновых векторов интерферирующих лучей позволяет делать структуры с определенной пространственной группой симметрии.»

Как доказательство концепции, исследователи MIT демонстрируют изготовление двух типов вогнутых мультивалентных частиц полимера: четырехвалентной частицы из родительской с простой квадратной решеткой и шестивалентной частицы из родительской с простой кубической структурой с помощью ГИЛ.

Изображения, снятые сканирующим электронным микроскопом, двухмерных и трехмерных структур до и после облучением УФ/озонолиза (a и b). Легко связанные структуры после первой сильной обработки, сопровождаемой сверхкритической сушкой CO₂. (c и d) Образцы после УФ/озонолиза. Картинки снизу справа показывают отдельную ячейку с вычисленными распределениями интенсивности света, соответствующими изображениям СЭМ. На верхних вставках © и (d) приведены отдельные “четырехвалентные” и “шестивалентные” частицы, очень похожие на вставку внизу. Шкала масштаба во вставках — 300 нм.

«Такое управление формой частицы очень трудно, — говорит Томас. — Поверхностное натяжение всегда старается сделать частицу выпуклой.»

Чтобы обойти этот эффект и сохранить отчетливый характер “валентности” и сделать форму частицы сильно вогнутой, исследователи выбрали процесс сушки. После начального облучения и развития изотропное травление с использованием более сильного растворителя, которое сопровождается сверхкритической сушкой CO₂, чтобы предотвратить искажение структуры из-за высоких поверхностных сил натяжения, приводит к частицам с желательной формой. Наконец, частицы могут быть полностью разъединены в местах связи с соседними узлами, чтобы получить отдельные мультивалентные коллоидные частицы. Частицы отделялись или плазмой O₂, или УФ/озонолизом. Поскольку связи очень тонкие, такое воздействие не затрагивает форму частицы, а только уменьшают ее размер на 2–3%.

Томас говорит, что, помимо обычного применения коллоидных частиц в самособирающемся устройстве, эти «заостренные» частицы могут быть полезными как тип биологического датчика. Например, магнитные наночастицы с определенной симметрией предлагаются как стандартные блоки в надмолекулярной архитектуре и как наносенсоры для быстрого обнаружения вирусов с определенной симметрией. Другое применение найдено в косметической промышленности, где вогнутые частицы могут обеспечивать мягкость в течение их применения и помочь увеличивать прилипаемость к коже.

«Мы в настоящее время исследуем мультивалентные частицы из неорганических материалов, типа кварца или окиси железа, заполнением родительского шаблона полимера, — Томас описывает направление продолжающихся исследований. — Мы ожидаем, что это очень увеличит потенциал наших мультвалентных частиц.»

Автор перевода: Дмитрий Лещев