Wystawa multimedialna – „Poza tym, co widzialne…” 20.11.2019
19 listopada 2019
Prosta droga do helikalnych nanomateriałów
Zespół w składzie Maciej Bagiński, Martyna Tupikowska, dr Guille Gonzalez-Rubio, dr Michał Wójcik oraz dr hab. Wiktor Lewandowski, opracował na Wydziale Chemii Uniwersytetu Warszawskiego nową metodę tworzenia nanomateriałów helikalnych. Wyniki pracy zostały opisane w prestiżowym czasopiśmie naukowym Advanced Materials. Badania przeprowadzono w ramach grantu FIRST TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.
Ze względu na wyjątkową stabilność strukturalną i „naturalną” chiralność helisa jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych motywów geometrycznych występujących w przyrodzie i źródłem inspiracji naukowych, artystycznych i architektonicznych. Prawdziwy ‘boom’ badań nad układami helikalnymi rozpoczął się w 1953 roku kiedy Francis Crick z James Watson i Maurice Wilkins określili strukturę podwójnej helisy DNA. Zainteresowanie strukturą, funkcjonalnością i możliwością ‘programowania’ DNA jest od tego czasu niezwykle silne, także w nanotechnologii. Na przykład DNA jest stosowane do wymuszania samoorganizacji nanocząstek w celu zbudowanie biosensorów czy optycznie funkcjonalnych układów. Niemniej jednak, naśladowanie dynamizmu i zdolności adaptacyjnych struktur biologicznych, które dzięki ciągłej interakcji z otoczeniem funkcjonują poza stanem równowagi, było do tej pory dużym wyzwaniem. W naszych badaniach rozwiązaliśmy ten problem i opracowaliśmy metodę uzyskiwania przełączalnych nanomateriałów o strukturze podwójnej helisy. Udało się to dzięki połączeniu matrycy ciekłokrystalicznej z nanocząstkami, które są do niej chemicznie dopasowane. Obecność matrycy ciekłokrystalicznej powoduje, iż układ można swobodnie topić i krystalizować, analogicznie do większości substancji organicznych. Wyjątkowość tej mieszaniny polega na tym, że w obecności chemicznie dopasowanych nanocząstek, podczas ochładzania następuje niespotykany, kontrolowany przez nas proces krystalizacji, w wyniku której materiał spontanicznie tworzy helikalne nanowłókna udekorowane nanocząstkami. Naszym głównym osiągnięciem było z jednej strony wykazanie jak zapewnić chemiczną kompatybilność między matrycą a nanocząstkami, a z drugiej odkrycie i zbadanie procesu krystalizacji. Wykazaliśmy, że dopiero obecność obu składników w mieszaninie pozwala efektywnie tworzyć struktury helikalne. Można zatem powiedzieć, że nasza mieszanina wykazuje właściwości synergiczne, czyli wychodzące daleko poza prostą sumę cech składników ją tworzących.
Z aplikacyjnego punktu widzenia istotne jest to, że uzyskany materiał ma wiele właściwości podobnych do układów naturalnych – wyróżnia się hierarchiczną, kompozytową budową, możliwością aktywnej kontroli struktury czy lokalną chiralnością. Dodatkowo, opracowana przez nas technika jest relatywnie łatwa do przeskalowania, co rozwiązuje często występujący w nanotechnologii problem skalowalności wytwarzanych materiałów. Dla heliakalnych nanomateriałów zawierających metale przewiduje się zastosowania w przyszłych technologiach optoelektronicznych opartych na zjawisku chiralności optycznej. Od naszych rozwiązań do aplikacji jeszcze długa droga, niemniej docenienie uzyskanych wyników przez zespół redakcyjny czasopisma Advanced Materials może świadczyć o wysokim potencjale naszych materiałów. Obecnie pracujemy nad określeniem właściwości optycznych uzyskiwanych układów oraz poszerzeniem spektrum elementów budulcowych (ciekłych kryształów i nanocząstek), które można w tej technologii wykorzystywać.
Publikacja: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201904581
Na zdjęciu od lewej: lic Martyna Tupikowska, dr hab. Wiktor Lewandowski i dr Michał Wójcik. Dwóch pozostałych Autorów nie znalazło się na zdjęciu, ponieważ przebywają oni obecnie na stażach zagranicznych (Maciej Bagiński w Hiszpanii, Guillermo González‐Rubio w Niemczech).
