Тајна магичних наночестица

„Једно од изненађења је то што смо код наночестица открили гребене, острва стабилности и ’мора нестабилности‘, која су одавно позната код атомских језгара. Могуће је да су стабилне наночестице елементарни градивни блокови приликом раста кристала“, каже Артјом Оганов, професор на Сколковском институту науке и технологије у Москви.

У последњих неколико деценија биолози и физичари активно користе наночестице за стварање нових катализатора, разних електричних и оптичких уређаја, футуристичких геџета, као и у лечењу рака. Својства тих наноструктура данас се изучавају готово искључиво експерименталним путем. Научници мењају облик наночестица, њихову величину и положај у нади да ће открити материјале са јединственим или интересантнијим својствима. Таква претрага „на слепо“ омогућава да се направи много занимљивих материјала, али не дозвољава да се они креирају брзо. 

Како преноси часопис, Оганов и његове колеге су се питали зашто неке наночестице, које научници понекад називају „магичне“, имају неочекивано високу стабилност и неке друге занимљиве особине.

Одговор на то питање покушали су да пронађу помоћу алгоритма УСПЕКС, који омогућава да се брзо и прецизно израчунају својства кристала разних супстанци на различитим температурама и притисцима, уз коришћење њихове хемијске формуле и назива елемената.

Руски и кинески хемичари узели су неколико „магичних“, обичних и нестабилних наночестица, које се састоје од оксида гвожђа и церијума и покушали су да израчунају њихову структуру, користећи податке „просечног“ хемијског састава и алгоритам Оганова. Ти прорачуни довели су до необичног и занимљивог открића.

„И атомско језгро и наше наночестице могу се описати као кластери, који се састоје од два типа честица, а оне се састоје од атома гвожђа и кисеоника или протона и неутрона. А ако направите мапу, чије ће осе бити број атома сваке врсте у кластеру, видећете да већина стабилних кластера формира уске ’гребене стабилности‘“, изјавио је Оганов.

Другим речима, на тој карти постоје посебне „магичне зоне“, одређени бројеви атома гвожђа, церијума и кисеоника, које чине наночестице стабилним. Као и у случају нуклеарне физике, могуће је постојање двоструких „магичних“ бројева. То су посебно стабилне структуре са „исправним“ бројем атома кисеоника и атома метала.

Како научници истичу, многи „становници“ тог острва имају веома необичну структуру. Они садрже веома много атома једног или другог елемента, а то су хемичари раније сматрали немогућим. Ипак, прорачуни Оганова и његових колега и стварни експерименти у лабораторији показују да су они стабилни и на собној температури.

Поред тога, хемичари су успели да открију како могу да промене састав наночестица и како да манипулишу њиховом структуром, мењајући температуру, притисак и количину кисеоника у окружењу током њихове синтезе. Научници се надају да ће њихова открића и формуле помоћи да се убрза стварање других интересантних и корисних наночестица.