Ана Беленгвер (Ana Belenguer) из факультета химии Кембриджского университета (Великобритания) и ее коллеги доказали, что привычные материалы на наноуровне (то есть, когда частицы имеют размер от 1 до 100 нанометров) ведут себя иначе, чем «в обычных условиях». Результаты исследования опубликованы в журнале Chemical Science, а их популярное изложение представляет вебсайт Кембриджского университета.

Известно, что законы термодинамики определяют поведение материалов в макромире, в то время как квантовая механика описывает поведение частиц в мире атомов и электронов. Однако ни одна из этих парадигм не может описать взаимодействие материалов на наноуровне. Здесь плохо помогает компьютерное моделирование, не говоря уже об экспериментальных методах получения данных.

Например, химики не могут объяснить, как 1018 молекул, движущихся в растворе случайным образом, собираются вместе, чтобы сформировать стройный кристалл, упорядоченный до микромиллиметра.

Среди небольшого количества данных, которые мы знаем об этом мире, — то, что частицы в растворе могут собраться вместе, чтобы сформировать ядро, и при достижении некоторой критической массы начинается рост кристаллов. Структура ядра определяет структуру конечного кристалла. Это явление называется полиморфной модицикацией.

В новой работе авторы использовали метод механохимии — то есть фрезеровку и шлифование для получения наноразмерных частиц. В ходе тщательной контролируемых химических экспериментов впервые было изучено, какие структуры являются наиболее устойчивыми в этом масштабе, и какие условия влияют на их стабильность.

Добавляя небольшое количество растворителей, авторы смогли контролировать, какие полиморфные структуры наиболее стабильны.

Профессор Джереми Сандерс (Jeremy Sanders), который возглавлял работу, комментирует: «Интересно, что эти даже простые эксперименты, когда они осуществляются с большой осторожностью, могут неожиданно приоткрыть новую дверь к пониманию принципиального вопроса о том, как поверхностные эффекты могут контролировать стабильность нанокристаллов».

В ходе работы авторы начали постепенно получать сведения о том, как вещества ведут себя в наномире, и как мы можем предсказать, и таким образом контролировать их. Авторы показали, как экспериментально измерить и моделировать ситуации, когда имеется два возможных ядра, условно названные А и В, и определить, какое из них — более стабильное. Они также установили, какие условия необходимы для того, чтобы эти стабильности инвертировать, то есть поменять местами.

«Контроль» — одно из ключевых слов химического синтеза. Химики всегда пытаются контролировать свойства материалов, будь то краситель, технический полимер или лекарственный препарат, который более эффективен в организме. Так что теперь, если мы можем научиться контролировать то, как молекулы в растворе собираются вместе, чтобы сформировать твердые частицы, мы можем получить очень много. Эта работа является важным первым шагом в получении такого контроля.

Ранее портал Научная Россия писал о том, что нанокристаллы поровну делятся на «правые» и «левые».