Ученые Омского политеха создали алгоритм самосборки наноструктур

Ученые ОмГТУ заставили одиночные звенья полимерных молекул самостоятельно объединяться в двумерные нанообъекты, которые физики называют "лестницей дьявола", из которых можно собирать структуры любой формы и размеров, говорится в статье, опубликованной в журнале Physical Review B.

 

"Мы разработали инструментарий, который позволяет исследовать процессы самосборки на компьютере, не проводя сложные, долгие и дорогие эксперименты. Меняя всего один параметр, давление, мы можем получать разные фазы вещества. По сути, мы нашли способ делать треугольные кирпичи, из которых в будущем можно сделать что угодно в любых количествах", — рассказывает Павел Стишенко из Омского государственного технического университета, чьи слова приводит пресс-служба РНФ.

Многие сложные объекты живой и неживой природы возникли не в результате каких-то осмысленных действий отдельных компонентов клетки или стихий, а благодаря феномену самоорганизации и самосборки. Главной движущей силой в этом процессе выступают законы физики и химии, заставляющие простые молекулы объединяться в сложные структуры для достижения равновесия.

Ярким примером этого являются два типа биологических молекул – спирали ДНК и РНК, способные собирать себя, как выражается Стишенко, с атомной точностью, а также болезнетворные белки-прионы, способные копировать себя при попадании в клетки мозга и вызывающие болезнь Альцгеймера и прочие нейродегенеративные заболевания.

 Ученые достаточно давно пытаются приспособить оба этих феномена для создания технологий, позволяющих конструировать наноматериалы с четко заданной структурой и свойствами, однако этому мешает то, что пока физики и химики не до конца понимают принципы, управляющие подобными процессами, что вынуждает их проверять большую часть таких идей экспериментальным путем. Это требует и большого количества денег, и времени.

Стишенко и его коллеги нашли способ избежать этих проблем и расходов, используя в качестве основы для подобных самособирающихся структур физический феномен, который ученые называют "лестницей дьявола".

Под этим словом в математике, химии и физике понимается структура, имеющая конечную длину, но бесконечное число "ступенек". В их роли  в данном случае выступают устойчивые комбинации полимерных нитей, в которые может объединяться большое, но не бесконечное число молекул. 

Относительно недавно, как отмечает физик, его команда выяснила, что подобную "чертову лестницу" можно создать, используя одиночные звенья полимерных молекул, объединенные в пары и прикрепленные к шестиугольной решетке, похожей по устройству на лист графена.

Молекулы полимера, как обнаружили ученые, могут прикрепляться к этим "сотам" двумя путями – вертикально и горизонтально, благодаря чему их комбинации образуют треугольники разных размеров и формы. Поскольку размеры треугольников могут быть любыми, есть бесконечное число способов "закрыть" ими поверхность листа, что и создает "лестницу дьявола".

Изначально, по словам авторов статьи, они проводили расчеты для температур, близких к абсолютному нулю, и поэтому они были не совсем уверены в том, что подобная структура останется стабильной в более реалистичных условиях, при температурах, близких к комнатной или хотя бы к тем, которые господствуют в Антарктике.

Для проверки этого они разработали компьютерную модель подобной "чертовой лестницы", которая подтвердила, что она не разрушится при повышении температуры, и помогла им выяснить, что процессом самосборки такой структуры можно легко манипулировать, меняя давление газа.

Как надеются физики из Омска, их открытие позволит создать технологии самосборки наночастиц произвольной формы и других конструкций, используя "чертову лестницу" и содержащиеся в ней треугольные "нанокирпичи". Что, наконец, позволит перевести нанотехнологии из лабораторий в массовое производство, получая наноразмерные объекты в любых необходимых количествах.