Mokslininkai ilgai įtarė, kad pasiekus nanopasaulio mastelį – kuomet dalelių išmatavimai siekia vos 1-100 nanometrų (milijardinių metro dalių) – medžiagos ima elgtis kitaip nei esant bet kokiam kitam masteliui. Naujas tyrėjų darbas žurnale „Chemical Science“ pateikia konkrečių tai patvirtinančių įrodymų.
Termodinamikos dėsniai aprašo medžiagų elgesį makropasaulio rėmuose, tuo tarpu kvantinė mechanika ima viršų, kai nagrinėjame pavienius mikropasaulio atomus, elektronus ar kitas mažytes daleles.
Tačiau keisčiausia yra tai, jog srityje tarp makropasaulio ir mikropasaulio – kalba eina apie maždaug 10-100000 molekulių darinius – vyksta kažkas kito. Kadangi tai labai mažas mastelis, dalelės pasižymi itin dideliu paviršiaus ir tūrio santykiu. Tai reiškia, kad paviršiuje vykstančių reiškinių energetika įgauna didžiulę reikšmę.
Tokiais atvejais klasikinė termodinamika neveikia, o milžiniškas sąveikaujančių dalelių skaičius neleidžia panaudoti kvantinio modelio.
Kadangi tūkstančiai dalelių vienu metu užsiima tūkstančiais dalykų, visa tai sumodeliuoti kompiuteriu yra pernelyg sudėtingas uždavinys. Bet lygiai taip pat sudėtinga išgauti eksperimentinės informacijos, nes mokslininkai dar nėra sugalvoję, kaip atlikti matavimus esant tokiam smulkiam masteliui.
Tokia padėtis be išeitis tampa ypač skausminga, kuomet tyrėjai bando perprasti kristalizacijos mechanizmą – procesą, kurio metu atsitiktinai tirpale išsimėčiusios dalelės esant tinkamoms sąlygoms ima ir suformuoja itin tvarkingas kristalines struktūras.
Chemikai iš tikrųjų nesupranta, kaip visa tai vyksta. Kaip milijardai molekulių, atsitiktinėmis trajektorijomis plaukiodamos tirpale, suartėja, kad suformuotų mikroninius ar net milimetrinių matmenų tvarkingus kristalus? Turbūt pats įspūdingiausias viso šio reikalo aspektas yra tas, jog daugeliu atveju suformuoti kristalai pasižymi lygiai tokia pačia vidine tvarka.
Vis dėlto yra žinoma, kad skirtingos sąlygos kartais gali lemti skirtingos kristalinės sandaros susidarymą. Tokios kristalinės struktūros yra vadinamos polimorfais, o jų reikšmė itin didelė medicinoje, mat vaistai, patekę į paciento kūną, gali elgtis skirtingai – tai priklauso nuo vaisto polimorfinės rūšies.
Šiuo klausimu mokslininkai kol kas yra išsiaiškinę tiek, jog bent jau vieno plačiai pripažinto modelio rėmuose dalelės, esančios tirpale, gali suartėti, kad suformuotų tam tikrą centrinį branduolį, kurio masei viršijus kritinę vertę prasideda kristalo augimo procesas. Šio centrinio branduolio sandara nusako ir galutinio kristalo sandarą. Kitaip tariant, kurį polimorfą gausime.
Iki šiol nėra aišku, kas nulemia tokio centrinio branduolio sandarą ir kas gi įvyksta nanomasteliu.
Minėtojo žurnalo straipsnyje pasakojama, kaip autoriai taikė mechanochemijos metodus, primenančius frezavimo ir šlifavimo technikas, kad išgautų pakankamai mažas nanodaleles, jog paviršiniai efektai taptų reikšmingi. Itin kruopščiai valdomi eksperimentiniai bandymai padėjo nustatyti, kurios išgautos struktūros yra stabiliausios esant tokiam masteliui ir kas lemia jų stabilumą.
Pridėję šiek tiek tirpiklio mokslininkai galėjo kontroliuoti, kuris polimorfas bus stabiliausias. „Labai žavu tai, kad šie paprasti, bet ypač kruopščiai atlikti eksperimentai gali netikėtai padėti perprasti fundamentalų klausimą, kaip paviršiniai efektai gali valdyti nanokristalų stabilumą“, – pasakoja grupės vadovas profesorius Džeremis Sandersas (Jeremy Sanders) iš Kembridžo universiteto Chemijos fakulteto (Jungtinė Karalystė).
„Darbo autoriai labai elegantiškai atskleidė, kaip eksperimentiškai išmatuoti ir sukurti situacijas, kuomet galimi du centriniai branduoliai, tarkim, A ir B, bei nustatyti, jog A centrinis branduolys yra stabilesnis, – mokslininkų atradimą aiškina Niujorko universiteto padalinio Abu Dabyje (Jungtiniai Arabų Emyratai) profesorius Džoelis Bernšteinas (Joel Bernstein). – Be to, jie taip pat gali parodyti, kurios sąlygos yra būtinos norint, jog centrinis branduolys B taptų stabilesnis už A.“
„Tai iš tikrųjų šis tas vertas dėmesio, nes tokių prognozių neįmanoma numatyti taikant klasikinę termodinamiką, tai taip pat nėra ir kvantinis efektas. Atlikdami tokio pobūdžio eksperimentus, autoriai priartėjo prie supratimo, kaip viskas veikia tokio mastelio režime ir kaip tai galima numatyti bei kontroliuoti. Elegantiškoji eksperimento dalis yra tai, kad tyrėjai sugebėjo pasirinktinai ir grįžtamai suformuoti A ir B centrinius branduolius.“
Vienas iš raktinių cheminę sintezę apibūdinančių žodžių yra „kontroliuoti“. Chemikai visada bando kontroliuoti medžiagų savybes, nepriklausomai nuo to, ar kalba eina apie geresnius dažus, plastiką ar vaistus, efektyviau veikiančius žmogaus kūne. Taigi, jeigu išmoksime kontroliuoti molekulių suartėjimą tirpale, kai šios ima formuoti kristalus, nepaprastai daug išlošime. Šis mokslininkų darbas yra pirmasis tvirtas žingsnis tokio tikslo link.
Harnessing the possibilities of the nanoworld
Daugiau:
Ateities technologijos – medžiagų ir nanotechnologijų specialistų rankose?
Mikropasaulio sąvokos padeda įvertinti jūros ledo storį
NASA mokslininkai planuoja sukurti šalčiausią vietą visoje Visatoje
Žvilgsnis į nanodalelių vidų atskleidžia, kaip jų forma įtakoja savybes