Mesokrystal - Mesocrystal

Elektronová mikroskopie s vysokým rozlišením obrázek jediného gama fáze oxid železa nanočástice. Každá tečka na obrázku naznačuje polohu iontu železa (III). Levá vložka je odpovídající Rychlá Fourierova transformace obrazu. Měřítko: 10 nm.[1]
Nanočástice krystalů oxidu železa potažené kyselina olejová lze dispergovat v organickém rozpouštědle (toluen ). Po jeho odpaření pravidelně zajišťují („samo-sestavit ", levý a pravý panel) na mezikrystaly o velikosti mikronů (uprostřed) nebo na vícevrstvé (pravé). Každá tečka na levém obrázku naznačuje pozici nanočástice (ve srovnání s tradičním" atomovým "krystalem zobrazeným na obrázku výše). Stupnice: 100 nm (vlevo), 25 μm (uprostřed), 50 nm (vpravo).[1]

A mezokrystal je hmotná struktura složená z mnoha malých krystalů podobné velikosti a tvaru, které jsou uspořádány v pravidelném pravidelném vzoru. Je to forma orientované agregace, kde malé krystaly mají paralelní krystalografické zarovnání, ale jsou prostorově odděleny.[2]

Když jsou velikosti jednotlivých složek v nanoměřítku, představují mezokrystaly novou třídu nanostrukturovaných pevných látek vyrobených z krystalograficky orientovaných nanočástic. Jediným kritériem pro určení, zda je materiál mezokrystal, je jedinečná krystalograficky hierarchická struktura, nikoli její mechanismus formování.[3]

Objev

Helmut Cölfen objevil a pojmenoval mezokrystaly v roce 2005 během svých studií na biominerálech[4]. Navrhl, že jejich růst byl způsoben neklasickým procesem založeným na vlastní montáži.[3]

Struktura a formace

Mesokrystal je zkratka pro mezoskopicky strukturovaný krystal, kde jednotlivé podjednotky často vytvářejí dokonalý 3D řád, jako v tradičním krystalu, kde jsou podjednotkami jednotlivé atomy.[3]

Metody formování

Zarovnání nanočástic organickou matricí

To je případ, kdy se mezokrystal vytvoří naplněním oddílů organické matrice krystalickou hmotou. Tato krystalická hmota by byla orientována organickou matricí. Toto je proces biomineralizace a tak se v přírodě produkují mezokrystaly.[3]

Řazení podle fyzických polí

Ve většině případů tvoří mezokrystaly v roztoku nanočástice. Tyto nanočástice agregují a uspořádávají se do krystalografické formace bez jakýchkoli přísad.[3] Hlavními příčinami tohoto uspořádání jsou tenzorické polarizační síly a dipólová pole.[5]

Minerální mosty

K tvorbě minerálních můstků dochází při tvorbě nanokrystalů. Růst je v této fázi zastaven absorpcí polymeru do povrchu nanočástic. Nyní mohou minerální můstky nukleovat v místě defektu v rostoucí inhibiční vrstvě nanokrystalů. Díky tomu na minerálním můstku vyroste nový nanokrystal a růst je opět zastaven polymerem. Tento proces se opakuje, dokud se krystal nevytvoří.[3]

Omezení prostoru a podobný růst

Tento argument pro tvorbu mezokrystalů vyžaduje pouze omezený prostor, ve kterém probíhá reakce. Jak nanočástice rostou do krystalů, nezbývá jim nic jiného, ​​než se v tak omezeném prostoru vzájemně vyrovnat.[3]

Aplikace

Mesokrystaly mají jedinečné strukturní vlastnosti a díky fyzikálním a fyziochemickým vlastnostem, které z této struktury vycházejí, se staly předmětem zájmu. Očekává se, že mezokrystaly budou mít roli v mnoha různých aplikacích. Tyto zahrnují heterogenní fotokatalyzátory, elektrody, optoelektronika, biomedicínské materiály a lehké konstrukční materiály.[5]

Vlastnosti, díky nimž jsou mezokrystaly životaschopné pro budoucí aplikace, jsou jejich sdílené vlastnosti s nanočásticemi, mezoporézní a monokrystalické materiály. Protože mezokrystaly jsou tvořeny nanočástice, vlastnosti samotných nanočástic jsou v některých případech přeneseny na celou strukturu mezokrystalů. To umožňuje praktickou aplikaci mezokrystalů, protože jsou „potenciálně stabilnějšími analogy nanočásticových materiálů“. Vysoký pórovitost je obecně kvalita mezokrystalů, to je vlastnost sdílená s mezoporézní materiály. Uzavřené vnitřní póry jsou dobré pro tepelnou a dielektrickou izolaci a otevřené póry pak pomáhají dovnitř vstřebávání a mohly by být použity pro lékařské doručení. Alternativně by mezokrystal mohl mít své póry vyplněné a pak by byl podobný jednokrystalickému materiálu a měl by něco neobvyklého elektronický a optický vlastnosti. Rozmanitost vlastností mezokrystalů by mohla umožnit jejich efektivní využití v mnoha aplikacích.[5]

V přírodě

Páteře mořští ježci jsou složeny z mezokrystalů kalcitových nanokrystalů (92%) v nekrystalické matrici uhličitan vápenatý (8%). Tato struktura činí ostny tvrdými, ale také tlumími nárazy, což je díky speciální vlastnosti činí účinnou obranou proti predátorům.[6] U některých se také vyskytují mezikrystaly ve skořápkách vejce, korál, chitin a skořápky mušle.[3]

Reference

  1. ^ A b Wetterskog, Erik; Agthe, Michael; Mayence, Arnaud; Úsměvy, Jekabs; Wang, Dong; Rana, Subhasis; Ahniyaz, Anwar; Salazar-Alvarez, Němec; Bergström, Lennart (2014). „Přesná kontrola nad tvarem a velikostí nanokrystalů oxidu železa vhodných pro montáž do uspořádaných polí částic“. Věda a technologie pokročilých materiálů. 15 (5): 055010. Bibcode:2014STAdM..15e5010W. doi:10.1088/1468-6996/15/5/055010. PMC  5099683. PMID  27877722. otevřený přístup
  2. ^ Yuwono, Virany M .; Burrows, Nathan D .; Soltis, Jennifer A .; Penn, R. Lee (2010). "Orientovaná agregace: Odhalení vzniku a transformace mezokrystalických meziproduktů". Journal of the American Chemical Society. 132 (7): 2163–2165. doi:10.1021 / ja909769a. PMID  20112897.
  3. ^ A b C d E F G h Song, Rui-Qi; Cölfen, Helmut (2010). „Nadstavby nanočástic seřazené podle mezokrystalů“ (PDF). Pokročilé materiály. 22 (12): 1301–1330. doi:10.1002 / adma.200901365. PMID  20437477.
  4. ^ Cölfen, Helmut; Antonietti, Markus (2005). „Mesokrystaly: anorganické nadstavby vyrobené vysoce paralelní krystalizací a kontrolovaným srovnáním“. Angewandte Chemie International Edition. 44 (35): 5576–5591. doi:10.1002 / anie.200500496. PMID  16035009.
  5. ^ A b C Zhou, Lei; O’Brien, Paul (2012). "Mesokrystaly - vlastnosti a aplikace". The Journal of Physical Chemistry Letters. 3 (5): 620–628. doi:10.1021 / jz2015742. PMID  26286158.
  6. ^ Palmer, Jason (15. února 2012). „Struktura páteře mořského ježka inspiruje nápad pro beton“. Web BBC News. BBC. Citováno 15. února 2012.