Detaily článku

Zářivé megakrystaly, které se samy vytvářejí.

Nové megakrystaly vykazují jedinečné vlastnosti, jako je superfluorescence, a mohou být předzvěstí nové éry ve vědě o materiálech.
Mezinárodní tým vedený výzkumníky z Empa a ETH Zurich se zabývá tvarově upravenými stavebními bloky v nanorozměrech, které jsou až stokrát větší než atomy a ionty. A přestože tyto nano "kostky Lego" na sebe vzájemně působí silou, která je výrazně odlišná a mnohem slabší než síla, která drží pohromadě atomy a ionty, samy vytvářejí krystaly, jejichž struktura se podobá přírodním minerálům. Tyto nové megakrystaly nebo supermřížky, které jsou vyobrazeny na obálce nejnovějšího čísla časopisu Nature, vykazují jedinečné vlastnosti, jako je superfluorescence - a mohou tak zahájit novou éru ve vědě o materiálech.

Datum: 10.6.2021

nanokrystaly

Abychom skutečně ocenili, čeho tým vědců pod vedením Maksyma Kovalenka a Maryny Bodnarčukové dosáhl, je nejlepší začít něčím všedním: krystalky kuchyňské soli (známé také jako kamenná sůl) zná každý, kdo si někdy musel zpestřit příliš mdlý oběd. Chlorid sodný - chemicky NaCl - je název užitečné chemické látky; skládá se z kladně nabitých sodíkových iontů (Na+) a záporně nabitých chloridových iontů (Cl-). Tyto ionty si můžete představit jako kuličky, které se navzájem silně přitahují a vytvářejí hustě zabalené a tuhé krystaly, jaké můžeme vidět v solničce.

Mnoho přírodních minerálů se skládá z iontů - kladných iontů kovů a záporných iontů, které se v závislosti na své relativní velikosti uspořádávají do různých krystalových struktur. Kromě toho existují struktury, jako je diamant a křemík: Tyto krystaly se skládají pouze z jednoho druhu atomů - v případě diamantu z uhlíku -, ale podobně jako u minerálů jsou i zde atomy drženy pohromadě silnými vazebnými silami.

Nové stavební kameny pro nový druh hmoty

Co kdyby se podařilo všechny tyto silné vazebné síly mezi atomy eliminovat? V říši atomů by to s ohledem na veškerou kvantovou mechaniku nevedlo k vytvoření molekuly nebo pevného skupenství, alespoň ne za okolních podmínek. "Moderní chemie však dokáže vytvořit alternativní stavební bloky, které skutečně mohou mít výrazně odlišné interakce, než jsou interakce mezi atomy," říká Maksym Kovalenko, výzkumný pracovník Empa a profesor chemie na ETH v Curychu. "Mohou být tvrdé jako kulečníkové koule v tom smyslu, že se navzájem vnímají pouze při srážkách. Nebo mohou být na povrchu měkčí, jako tenisové míčky. Navíc mohou mít nejrůznější tvary: nejen koule, ale i krychle nebo jiné mnohostěny, případně anizotropnější útvary."

Takové stavební bloky se skládají ze stovek nebo tisíců atomů a označují se jako anorganické nanokrystaly. Kovalenkův tým chemiků z Empa a ETH je dokáže syntetizovat ve velkém množství s vysokou mírou uniformity. Kovalenko a Bodnarčuk a někteří jejich kolegové po celém světě pracují s těmito druhy stavebních bloků již asi 20 let. Vědci jim říkají "materiály Lego", protože vytvářejí na dlouhé vzdálenosti uspořádané husté mřížky známé jako supermřížky.

Dlouho se spekulovalo o tom, že míchání různých druhů nanokrystalů umožní vytvořit zcela nové supramolekulární struktury. Elektronické, optické nebo magnetické vlastnosti takových vícesložkových sestav by měly být směsicí vlastností jednotlivých složek. V prvních letech se práce soustředily na míchání koulí různých velikostí, což vedlo k vytvoření desítek různých supermřížek se strukturou balení, která napodobuje běžné krystalové struktury, jako je například kuchyňská sůl - i když s krystalovými jednotkovými buňkami desetkrát až stokrát většími.

Díky nejnovějšímu článku v časopise Nature se nyní týmu vedenému Kovalenkem a Bodnarčukem podařilo rozšířit tyto poznatky ještě o velký kus dál: Vydali se studovat směs různých tvarů - pro začátek koule a krychle. Tato zdánlivě jednoduchá odchylka od hlavního proudu okamžitě vedla k naprosto odlišným pozorováním. Zvolené krychle, konkrétně koloidní perovskitové nanokrystaly halogenidu cesia a olova, jsou navíc známy jako jedny z nejjasnějších světelných zářičů, které byly dosud vyvinuty, a to již od doby, kdy je stejný tým před šesti lety vynalezl. Supermřížky, které vědci získali, jsou zvláštní nejen co se týče jejich struktury, ale také s ohledem na některé jejich vlastnosti. Zejména vykazují superfluorescenci - to znamená, že světlo je vyzařováno kolektivním způsobem a mnohem rychleji, než mohou tytéž nanokrystaly dosáhnout ve svém konvenčním stavu, zapuštěné v kapalině nebo prášku.

Entropie jako uspořádávající síla?

Při míchání koulí a krychlí se dějí podivuhodné věci: Nanokrystaly se uspořádají do struktur známých ze světa minerálů, jako jsou perovskity nebo kamenná sůl. Všechny tyto struktury jsou však stokrát větší než jejich protějšky v běžných krystalech. A co víc: Struktura podobná perovskitu nebyla nikdy předtím pozorována v sestavě takovýchto neinteragujících nanokrystalů.

Obzvláště zajímavé: Tyto vysoce uspořádané struktury vznikají výhradně působením entropie - tedy neustálou snahou přírody o maximální neuspořádanost. Jaký dokonalý vtip přírody! K tomuto paradoxnímu uspořádání dochází proto, že při tvorbě krystalů mají částice tendenci co nejefektivněji využívat prostor kolem sebe, aby maximalizovaly svou volnost pohybu v pozdních fázích odpařování rozpouštědla, tj. předtím, než "zamrznou" ve svých konečných polohách krystalové mřížky. V tomto ohledu hraje zásadní roli tvar jednotlivých nanokrystalů - měkké perovskitové krychle umožňují mnohem hustší balení, než jakého lze dosáhnout u celokulových směsí. Síla entropie tedy způsobuje, že se nanokrystaly vždy uspořádají do co nejhustšího balení - pokud jsou navrženy tak, aby se nepřitahovaly nebo neodpuzovaly jinými prostředky, například elektrostatikou.
Úsvit nové vědy

"Přesvědčili jsme se, že můžeme vytvářet nové struktury s vysokou spolehlivostí," říká Maksym Kovalenko. "A to nyní vyvolává mnoho dalších otázek; jsme stále na samém začátku: Jaké fyzikální vlastnosti vykazují takové slabě vázané supermřížky a jaký je vztah mezi strukturou a vlastnostmi? Lze je využít pro určité technické aplikace, například v optických kvantových výpočtech nebo v kvantovém zobrazování? Podle jakých matematických zákonů se tvoří? Jsou skutečně termodynamicky stabilní, nebo pouze kineticky uvězněné?" Kovalenko nyní hledá teoretiky, kteří by mohli být schopni předpovědět, co se ještě může stát.

"Nakonec objevíme zcela nové třídy krystalů," spekuluje, "takové, pro které neexistují žádné přirozené modely. Ty pak bude třeba změřit, klasifikovat a popsat." Poté, co napsal první kapitolu učebnice pro nový druh chemie, je Kovalenko více než připraven dodat svůj podíl, aby se tak stalo co nejrychleji. "Nyní experimentujeme s nanokrystality ve tvaru disku a válce. A velmi se těšíme na nové struktury, které umožňují," usmívá se.

Zdrojem informací je Chemeurope.
Kredit obrázku: Empa

Pro kompletní informace si přečtěte celý článek.