Строительство на наноуровне не похоже на строительство дома. Ученые часто начинают с двумерных молекулярных слоев и объединяют их в сложные трехмерные архитектуры. И вместо гвоздей и шурупов эти структуры соединяются силами притяжения Ван-дер-Ваальса, которые существуют между объектами на наноуровне.
Силы Ван-дер-Ваальса имеют решающее значение при конструировании материалов для хранения энергии, биохимических датчиков и электроники, хотя они являются слабыми по сравнению с химическими связями. Они также играют решающую роль в системах доставки лекарств , определяя, какие лекарства связываются с активными центрами белков.
В новых исследованиях, которые могли бы помочь в разработке новых материалов, химики Корнелла обнаружили, что пустое пространство («поры»), присутствующее в двумерных молекулярных строительных блоках, фундаментально изменяет силу этих ван-дер-ваальсовых сил и потенциально может изменить сборку. сложных наноструктур.
Полученные данные представляют собой неисследованный путь к самосборке сложных наноструктур из пористых двумерных строительных блоков. «Мы надеемся, что более полное понимание этих сил поможет в открытии и разработке новых материалов с различными функциональными возможностями, целевыми свойствами и потенциально новыми приложениями», — сказал Роберт А. Дистасио-младший, доцент кафедры химии в Колледже Искусство и Наука.
В статье под названием «Влияние размера пор на взаимодействие Ван-дер-Ваальса в двумерных молекулах и материалах», опубликованной 14 января в « Physical Review Letters» , ДиСтасио, аспирант Ян Ян и постдокторант Ка Ун Лао описывают серию математических работ. модели, которые решают вопрос о том, как пустое пространство фундаментально влияет на физические силы притяжения, возникающие на наноразмерных расстояниях.
В трех прототипных модельных системах исследователи обнаружили, что определенные размеры пор приводят к неожиданному поведению в физических законах, которые управляют силами Ван-дер-Ваальса. Кроме того, пишут они, это поведение «можно настроить, изменяя относительный размер и форму этих пустотных пространств … [предоставляя] новое понимание самосборки и проектирования сложных наноструктур».
В то время как сильные ковалентные связи ответственны за образование двумерных молекулярных слоев, ван-дер-ваальсовые взаимодействия обеспечивают основную силу притяжения между слоями. Таким образом, силы Ван-дер-Ваальса в значительной степени ответственны за самосборку сложных трехмерных наноструктур, которые составляют многие из современных материалов, используемых сегодня.
Исследователи продемонстрировали свои результаты с помощью многочисленных двумерных систем, в том числе ковалентных органических каркасов, которые наделены регулируемыми и потенциально очень большими порами.
«Я удивлен, что сложные отношения между пустым пространством и силами Ван-дер-Ваальса могут быть рационализированы с помощью таких простых моделей», — сказал Ян. «На одном дыхании я очень рад нашим открытиям, поскольку даже небольшие изменения в силах Ван-дер-Ваальса могут заметно повлиять на свойства молекул и материалов».
