Исследователи из Нью-Йоркского университета разработали метод управления процессом самоорганизации микроскопических частиц в кристаллы с помощью света. В опубликованной в журнале Chem работе описан простой и обратимый способ формирования кристаллов, который может способствовать созданию нового класса адаптивных и чувствительных материалов.

Кристаллы и их значение

Кристаллы широко распространены в природе и технологиях — от снежинок и алмазов до кремния, используемого в электронике. Их основой служит упорядоченное расположение частиц в повторяющиеся структуры. Для изучения процессов формирования таких структур часто используются коллоидные частицы — мелкие сферы, взвешенные в жидкости, которые естественным образом собираются в упорядоченные образования, известные как коллоидные кристаллы. Эти частицы также применяются в современных материалах для оптических и фотонных технологий, включая сенсоры и лазеры. Однако точное управление временем и местом образования кристаллов долгое время оставалось сложной задачей, поскольку традиционные методы не позволяют регулировать процесс в реальном времени.

Управление взаимодействием частиц с помощью света

В ходе исследования был найден способ направлять формирование кристаллов посредством освещения системы. В жидкость с коллоидными частицами были добавлены светочувствительные молекулы — фотоациды. Под действием света фотоациды временно становятся более кислыми, что влияет на их взаимодействие с поверхностью частиц и изменяет их электрический заряд. Изменяя заряд, можно контролировать, будут ли частицы притягиваться и слипаться или, наоборот, отталкиваться друг от друга.

Контроль роста и растворения кристаллов

Эксперименты и компьютерное моделирование показали, что регулировка яркости, длительности и рисунка освещения позволяет с высокой точностью управлять поведением кристаллов. Можно инициировать рост или растворение кристаллов, определять место кристаллизации, изменять форму и структуру, а также увеличивать однородность и размер для создания более крупных и сложных коллоидных сборок.

Преимущества метода

Данный подход реализуется в формате «одного сосуда» — не требуется менять состав частиц или многократно корректировать концентрацию солей в отдельных экспериментах. Достаточно изменить уровень освещения, чтобы частицы собирались в кристаллы или вновь распадались.

Перспективы применения

Этот прогресс открывает возможности для создания материалов с настраиваемой внутренней структурой и свойствами с помощью света. Например, фотонные материалы смогут изменять цвет или оптический отклик по требованию, а программируемые светом коллоидные кристаллы могут привести к разработке перестраиваемых оптических покрытий, адаптивных сенсоров и новых технологий отображения и хранения данных, где функции и рисунки определяются динамически с помощью освещения.

Такой подход приближает создание динамических, программируемых коллоидных материалов, которые можно перестраивать по необходимости. Система также позволяет проверять различные теоретические предсказания о поведении самосборки при изменении взаимодействий между частицами или молекулами во времени и пространстве.