V laboratóriu, a nie v zimnej víchrici, sa tvoria kovové snehové vločky. Takto vyzerá realita výskumu najmenších štruktúr. Počas experimentov s časticami zlata, medi a železa vedci z Univerzity severnej Arizony zaznamenali niečo neobvyklé: materiál sa spontánne usporiadal do zložitých tvarov podobných snehovým vločkám.
Tento jav, ktorý je oveľa hlbší ako vizuálna zvedavosť, sa dotýka podstaty jedného zo základných procesov v prírode. Ukazuje sa, že princípy známe z pozorovania sveta v makroškále tajomným spôsobom fungujú aj v nanovrstve.
Nanokryštály kovov napodobňujú prírodu
Kľúčom k pochopeniu pozorovaní je pojem známy ako emergencia. Opisuje situáciu, v ktorej z jednoduchých, vzájomne interagujúcich prvkov vznikajú nové, neočakávané vlastnosti celého systému. V prírode to vidíme na každom kroku: jednotlivá bunka nemá vedomie, ale miliardy buniek organizovaných do mozgu vytvárajú myseľ. Rovnako molekuly vody, ktoré sú samy osebe jednoduché, vytvárajú nekonečne rozmanité snehové vločky. Vo svete nanotechnológií tím pod vedením Joelin A. Agye-Mensa pozoroval vznik päťuholníkových snehových vločiek počas búrlivej chemickej reakcie. Je to prvý takýto jasný dôkaz, že mechanizmy samoorganizácie, známe v biológii a kryštalografii, sú aktívne aj v nanoměřítku.
„Po prvýkrát demonštrujeme, že fenomén emergentnosti, pozorovaný v snehových vločkách, hrá kľúčovú úlohu v nanotechnológii.“
Pre vedu o materiáloch je to dôležitá informácia. Doposiaľ bola nepredvídateľnosť správania sa nanomateriálov vážnou výzvou pre inžinierov, ktorí sa snažili vyvinúť materiály s presnými parametrami.
Okamžitá syntéza za 10 sekúnd
Metóda, ktorá viedla k tomuto objavu, je prekvapivo jednoduchá. Výskumníci zahrievali kremíkový čip na 280 stupňov Celzia a potom do systému vložili kovové soli a iné činidlá. Za niekoľko sekúnd na podložke vyrástli kryštály s veľkosťou od jedného nanometra do niekoľkých mikrometrov. Najzaujímavejšia bola korelácia medzi veľkosťou a zložitosťou tvaru. Menšie častice nadobúdali pravidelné, jednoduché tvary. Akonáhle však dosiahli väčšie rozmery, začali vyvíjať zložité štruktúry s päťuholníkovou symetriou, konkávnymi povrchmi a prázdnymi priestormi vo vnútri – ako skutočné, mrazivé umelecké diela.
Dôležitým príkladom tohto javu je rozmnožovanie človeka. Keď sa zárodok začne vyvíjať, v procese samoorganizácie dochádza k mnohým chemickým reakciám a fyzikálnym javom, ktorých výsledkom je rozmanitosť. Žiaden človek nie je podobný druhému, rovnako ako snehové vločky, pretože samoorganizácia môže prebiehať rôznymi spôsobmi.
Táto nevyhnutná rozmanitosť, ktorá doteraz predstavovala problém pri navrhovaní homogénnych materiálov, môže byť teraz uznaná za prirodzenú vlastnosť procesu a využitá.
Kľúč k ovládaniu nanomateriálov
Objav tímu NAU neposkytuje jednoduché recepty na presné ovládanie tvaru každej nanomolekuly. Skôr ukazuje nový smer myslenia. Namiesto toho, aby sme sa snažili silou skrotiť nepredvídateľnosť nanorozmerov, môžeme začať rozumieť jej a využívať princípy fyziky zložitých systémov. Takýto prístup môže pomôcť vyriešiť základný dilema nanotechnológie: ako vyrábať materiály s opakovanými, požadovanými vlastnosťami. Yakaman vysvetľuje, že zavedenie tejto perspektívy môže pomôcť vedcom lepšie kontrolovať syntézu a rozšíriť spektrum použitia nanomateriálov. Zároveň však úprimne poukazuje na obmedzenia – zložité systémy, ako je počasie alebo finančné trhy, sú zo svojej podstaty ťažko predvídateľné v dlhodobom horizonte.
Pozorovanie tohto javu v nanoměřítku je pádným argumentom v prospech toho, že príroda funguje na rôznych úrovniach podľa podobných princípov. Kovové snehové vločky sú toho názorným dôkazom.
Pre budúcnosť materiálových vied to otvára dvere k intuitívnejšiemu navrhovaniu inšpirovanému procesmi, ktoré pozorujeme voľným okom. Zatiaľ je to krok k hlbšiemu pochopeniu, ktoré môže časom viesť k vytvoreniu materiálov s jedinečnými vlastnosťami, ktoré vznikajú predvídateľnejším spôsobom. Alebo aspoň kontrolovaným nepredvídateľným spôsobom.
