Смешав вместе фуллерены разных видов, можно вырастить кристалл, похожий на цветок клематиса размером всего несколько микрон.
Мы живём в эру минитюаризации электроники. На практике это означает появление всё более и более дешёвых структур микро- и нанометрового размера, которые можно запустить в серийное производство. Под такими структурами мы понимаем микроэлектронные устройства и их компоненты: транзисторы, светодиоды, всевозможные сенсоры, и т. д. Сама миниатюризация осуществляется двумя принципиально различными способами: «сверху» и «снизу», так же известные как bottom up и top down.
Цветы из фуллеренов С70 (Фото Jungah Kim et al., Scientific Reports 6, (2016)).Цветы из фуллеренов С70 (Фото Jungah Kim et al., Scientific Reports 6, (2016)).
Подход «сверху» – top down – подразумевает изготовление устройств из материалов макромира, которые после определённых манипуляций принимают нужную форму, размер и структуру. К подобным методам относятся литография, травление, выжигание лазером, напыление, печать. Например, транзисторы для процессоров делаются именно технологиями top down.
Подход «снизу», так же известный как самосборка и самоорганизация – это, в общем, формирование упорядоченных структур в специально созданных условиях. Примеры самосборки в живой и неживой природе можно найти повсюду: самоорганизация присуща молекулам, биологическим клеткам, кристаллам, полимерам и пр. Самосборку можно запускать «по заказу»: выращивать кристаллы заданной формы и наночастицы определённого размеры, собирать «оригами» из ДНК, метить биологические молекулы специальными маркерами и так далее.
Самосборочные принципы уже используются при создании некоторых микро- и наноустройств, например, при выращивании коллоидных квантовых точек и наночастиц. Поиски удачных рецептов самосборки – важное направление прикладной физики и биотехнологии, поскольку «загрузить» необходимые компоненты в реактор и получить гарантированный результат на выходе обычно проще, дешевле и быстрее, чем последовательно напылять, экспонировать, выравнивать, травить и закреплять с помощью сложных и дорогих приборов.
Джунга Ким (Jungah Kim) и её коллеги из южнокорейского Института фундаментальных наук в Пхохане специализируются на выращивании кристаллов из фуллерена – молекулярного соединения, которое относится к аллотропным формам углерода и которое по форме обычно похоже на шар. Аллотропами называют вещества с одинаковым химическим строением, но разной структурой и свойствами. Углерод обладает самым большим количеством известных аллотропов: графит, алмаз, графен, углеродные нанотрубки и несколько стабильных форм фуллеренов – из 60, 70 и 540 атомов. Фуллерен С60 похож по форме на футбольный мяч, а С70 – на немного растянутый шар. Контролируя структуру и морфологию кристаллов, мы можем снабдить наночастицы определённой каталитической активностью, электрической проводимостью и фотолюминесценцией.
Один из методов выращивания кристаллов – кристаллизация из жидкой фазы. Молекулы-кирпичики будущего кристалла взвешены в растворителе, и по прошествии определённого времени в растворе вырастают кристаллы нужной формы. Основная сложность здесь заключается в удачном подборе растворителя.
В предыдущих работах Джунга Ким и её коллеги набили руку на выращивании кристаллов из С70 в растворе мезитилена C6H3(CH3)3, чья молекула представляет собой бензольное кольцо, в котором три из шести атомов водорода заменены метиловыми группами. Добавляя различные спирты в растворитель, химики синтезировали кубики и шестигранные трубки из фуллеренов С70. В новых экспериментах они смешали С60 и С70 в мезитилене с этанолом. Молекулы С70 формируют структуры с шестигранной симметрией. Во время следующего этапа роста С60 и молекулы мезитилена образуют «лепестки» цветка. Весь процесс занимает около 10 минут.
Меняя относительные концентрации С60 и С70, и внося в раствор структуры, служащие затравками для роста (например, добавляя шестигранные трубки из С70), химикам удалось получить цветки разных конфигураций, включая целые цветочные «стопки» и цветы на ножках. Полностью результаты экспериментов опубликованы в Scientific Reports.
Эта работа позволила лучше разобраться в механизме двухступенчатой кристаллизации в составном растворителе, а чем глубже мы понимаем роль каждого компонента системы в процессе кристаллизации, тем лучше можем контролировать результат. Пока неясно, для чего могут пригодиться такие кристаллы, но понимание механизма того, как они появляются, позволит химикам выращивать молекулярные кристаллы более сложной формы.
