Исследование помогает пропаганде классической теории нуклеации Гиббса

. Последние совместные исследования, проведенные исследовательской группой в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики Калифорнийского университета, Лос-Анджелеса и Вашингтонского университета, могут предложить инженерам инновационные правила проектирования для разработки микроэлектроники, тканей и мембран и подготовить почву для улучшения методов производства новых материалов.

. Пептиды в этом высокоупорядоченном двумерном массиве избегают предполагаемого зародышеобразовательного барьера путем сборки в рядном порядке, ряд мода. (Image credit: PNNL)

Между тем, исследование, опубликованное онлайн в журнале Science 6 декабря th 2018, помогает продвинуть научную гипотезу, которая не доказана более века. Согласно исследованию, очень похоже на то, как дети следуют правилу, чтобы выровнять один файл после перерыва, некоторые материалы используют фундаментальное правило для сборки на поверхностях по одной строке за раз.

Нуклеация – эта базовая формация – вездесущая в упорядоченных структурах по природе и технологии, от горных конфет до облачных капель. Однако, несмотря на определенные прогнозы, сделанные американским ученым Дж. Уиллардом Гиббсом в 1870-х годах, исследователи все еще не пришли к соглашению о том, как происходит этот основной процесс.

Теория Гиббса для материалов, которые образуют ряд за строкой, проверена новым исследованием. Во главе с Jiajun Chen, аспирантом UW, работающим в PNNL, исследование раскрывает основополагающий механизм, который объединяет основной пробел в знаниях и открывает инновационные пути в материаловедении.

Чен использовал небольшие фрагменты белка, известные как пептиды, которые проявляют специфичность или отличительную принадлежность к материальной поверхности. Специалисты UCLA обнаружили и использовали специфичные для материала пептиды, такие как эти вещества, в качестве контрольных агентов, чтобы заставить наноматериалы расти в определенные формы, например, предпочтительные в полупроводниковых устройствах или каталитические реакции. Исследователи обнаружили это при анализе того, как специфический пептид – пептид с сильным связыванием по отношению к дисульфиду молибдена – взаимодействует с материалом.

Это была полная интуиция. Мы не ожидали, что пептиды собираются в свои высокоупорядоченные структуры .

Джеймс Де Йорео, научный сотрудник, PNNL

Де Йорео является соавтором статьи и докторским советником Чэна.

Возможно, это произошло с тех пор, как « этот пептид был идентифицирован из процесса молекулярной эволюции. Похоже, что природа находят свой путь к минимизации потребления энергии и творить чудеса .

Ю. Хуан, научный сотрудник-корреспондент, профессор материаловедения и инженерии, UCLA

Для того, чтобы жидкая вода превращалась в твердый лед, необходимо создать интерфейс твердой и жидкой фазы. Классическая теория нуклеации Гиббса предполагает, что даже если конверсия воды в лед экономит энергию, энергия тратится на создание интерфейса. Замысловатая часть – это начальный старт – это именно тогда, когда площадь поверхности новой ледяной частицы больше ее объема, поэтому для создания частицы льда требуется больше энергии.

Согласно теории Гиббса, считается, что если материалы могут расти в одном измерении, то есть по очереди, такого энергетического штрафа не будет. Затем материалы могут предотвратить то, что исследователи называют зародышеобразующим барьером, и могут свободно собираться.

В последнее время идет дискуссия о теории зарождения. Некоторые ученые обнаружили доказательства того, что фундаментальный процесс, по сути, более сложный по сравнению с гипотезой, предложенной в модели Гиббса

Однако, « это исследование показывает, что, безусловно, существуют случаи, когда теория Гиббса хорошо работает – заявил Де Йорео, который также является научным сотрудником по науке и технике в области химии и материаловедения.

Ранее исследовательские работы уже продемонстрировали, что некоторые органические молекулы, например пептиды, подобные тем, которые содержатся в Science могут самособираться на поверхностях. Тем не менее, в PNNL, De Yoreo и его коллеги исследовали дальше и нашли средство, чтобы получить представление о том, как молекулярные взаимодействия с материалами влияют на их зарождение и рост.

. Пептидный раствор подвергался воздействию свежих поверхностей дисульфидного основания молибдена исследователями, и взаимодействия измеряли с помощью атомно-силовой микроскопии. Затем измерения сравнивались с симуляцией молекулярной динамики.

Де Юрео и его коллеги пришли к выводу, что даже на самых ранних стадиях пептиды привязывались к материалу по одному ряду за раз, безбарьерно, подобно предсказаниям теории Гиббса

Высокая скорость изображения, предлагаемая атомно-силовой микроскопией, позволила ученым наблюдать ряды, очень похожие на то, как они формировались. Результаты показали, что строки были заказаны с самого начала и росли с одинаковой скоростью независимо от их размера – важная часть доказательств. Они также образовывали новые ряды, как только достаточный пептид находился в растворе для роста существующих рядов; это возможно только в том случае, если формирование рядов не является барьерным.

Этот поэтапный процесс предлагает подсказки для разработки 2D-материалов. В настоящее время разработчики иногда создают системы, не имеющие равновесия или баланса, для формирования конкретных форм. Де Йорео заявил, что это сложно контролировать.

Но в 1D трудность получения вещей в упорядоченной структуре уходит. Тогда вы можете действовать прямо около равновесия и все еще расти эти структуры, не теряя контроль над системой .

Джеймс Де Йорео, научный сотрудник, PNNL

Он может изменить пути сборки для тех инженерных микроэлектроники или даже телесных тканей.

Хуан и ее коллеги из UCLA продемонстрировали инновационные возможности для устройств на основе 2D-материалов, созданных посредством взаимодействия в решении. Вместе с тем она заявила, что существующие ручные процессы, применяемые для разработки таких материалов, имеют ограничения, такие как возможности расширения.

Теперь с новым пониманием мы можем начать использовать конкретные взаимодействия между молекулами и 2D-материалами для автоматических сборочных процессов .

Ю. Хуан, научный сотрудник-корреспондент, профессор материаловедения и инженерии, UCLA

Де Йорео сказал, что следующим шагом будет создание искусственных молекул с теми же свойствами, что и пептиды, проанализированные в новой статье, только более прочные.

В PNNL Де Йорео и его коллеги находятся на поисках стабильных пептоидов, которые так же легко производить в виде пептидов, но могут лучше справляться с химическими веществами и температурами, используемыми в процессах для разработки предполагаемых материалов.

Enbo Zhu, Zhaoyang Lin и Xiangfeng Duan в UCLA; Хуан Лю и Хендрик Хайнц из Университета Колорадо, Боулдер; и Шуай Чжан в PNNL являются соавторами исследования. Моделирование проводилось с использованием Argonne Leadership Computing Facility, подразделения пользователя Министерства энергетики США. Исследование финансировалось Национальным научным фондом и Департаментом энергетики.

Видео кредит: PNNL

Source link