Наночастицы магнетита, самого распространенного магнитного материала на Земле, обнаружены в живых организмах, от бактерий до птиц. Нанокристаллы магнетита собираются в организме в тонкие стрелки компаса, которые помогают ему ориентироваться.
Сотрудничая с нанохимиками во главе с Рафалом Клайном из Института науки Вейцмана в Израиле, который обнаружил, что нанокубы магнетита могут самособираться в спиральные надстройки при определенных условиях, химик-теоретик из Иллинойского университета в Чикаго Петр Краль и его ученики смоделировали это явление и объяснили его суть. условия, при которых это может произойти. Совместное исследование опубликовано в Science Express перед печатью в сентябре.
5 выпуск журнала Science.
Исследователи Вейцмана растворили нанокристаллы и подвергли раствор воздействию внешнего магнитного поля. По мере испарения раствора образовывались спиральные цепочки наночастиц. Удивительно, но спиральные спирали были хиральными, то есть левыми или правыми, несмотря на то, что сами наночастицы не были хиральными.
Плотно упакованные сборки спиралей имели тенденцию принимать ту же самую руку.
Команда Крала из UIC смоделировала самосборку, чтобы определить, как спирали формируются в экспериментах их коллег – и почему спирали обладают хиральностью.
Они обнаружили, что самосборка в киральные спирали является результатом действующих на них конкурирующих сил – силы Зеемана от внешнего магнитного поля, диполь-дипольной магнитной силы, магнитоанизотропной направленной силы, слабо притягивающих сил Ван-дер-Ваальса и другие.
Химический состав лигандов наночастиц, растворитель и температура также могут иметь значение.
В присутствии внешнего магнитного поля суперпарамагнитные нанокубы, которые обладают произвольным магнитным полем и могут переворачиваться при изменении температуры, стали крошечными магнитами с различной симметрией конкурирующих сил, действующих между ними. В результате, когда два куба расположены лицом к лицу, они имеют тенденцию наклоняться относительно друг друга, образуя небольшой угол вправо или влево – зародыш хиральной спирали, поскольку все больше нанокубов выстраиваются в линию с первым. два.
В анализе Краля использовался компьютерный алгоритм Монте-Карло, который полагается на повторяющуюся случайную выборку, многократно выполняя моделирование.
«Нам пришлось написать новый эффективный компьютерный код Монте-Карло, описывающий все необходимые термины, все значения, а затем объяснить, как происходит очень необычное поведение, которое наблюдал Клайн – самосборка спиралей», – сказал Крал.
Гурвиндер Сингх из Института Вейцмана является первым автором статьи.
Элайджа Гельман из Института Вейцмана и Генри Чан, Артем Баскин и Никита Репнин из UIC являются соавторами исследования.
Работа поддержана грантом Израильского научного фонда 1463/11, G. M. J. Центр супрамолекулярной архитектуры им.
Шмидта-Минервы, Фонд Минервы при финансировании Федерального министерства образования и исследований Германии, гранта 1309765 Отдела исследований материалов Национального научного фонда и гранта 53062-ND6 Фонда нефтяных исследований Американского химического общества.