Construire à l'échelle nanométrique n'est pas comme construire une maison. Les scientifiques commencent souvent par des couches moléculaires bidimensionnelles et les combinent pour former des architectures tridimensionnelles complexes. Et au lieu de clous et de vis, ces structures sont reliées entre elles par les forces attractives de van der Waals qui existent entre les objets à l'échelle nanométrique.

Les forces de Van der Waals sont essentielles dans la construction de matériaux pour le stockage d'énergie, capteurs biochimiques et électronique, bien qu'ils soient faibles par rapport aux liaisons chimiques. Ils jouent également un rôle crucial dans les systèmes d'administration de médicaments, déterminer quels médicaments se lient aux sites actifs des protéines.

Dans de nouvelles recherches qui pourraient aider à éclairer le développement de nouveaux matériaux, Les chimistes de Cornell ont découvert que l'espace vide ("pores") présent dans les blocs de construction moléculaires bidimensionnels change fondamentalement la force de ces forces de van der Waals, et peut potentiellement altérer l'assemblage de nanostructures sophistiquées.

Les résultats représentent une voie inexplorée vers la gouvernance de l'auto-assemblage de nanostructures complexes à partir de blocs de construction bidimensionnels poreux. "Nous espérons qu'une compréhension plus complète de ces forces aidera à la découverte et au développement de nouveaux matériaux dotés de fonctionnalités diverses, propriétés ciblées, et des applications potentiellement nouvelles, " a déclaré Robert A. DiStasio Jr., professeur adjoint de chimie à la Faculté des arts et des sciences.

Dans un article intitulé "Influence of Pore Size on the van der Waals Interaction in Two-Dimensional Molecules and Materials, " publié le 14 janvier dans Lettres d'examen physique , Disstasio, L'étudiant diplômé Yan Yang et l'associée postdoctorale Ka Un Lao décrivent une série de modèles mathématiques qui abordent la question de savoir comment l'espace vide affecte fondamentalement les forces physiques attractives qui se produisent sur des distances à l'échelle nanométrique.

Dans trois systèmes modèles prototypes, les chercheurs ont découvert que des tailles de pores particulières entraînent un comportement inattendu des lois physiques qui régissent les forces de van der Waals. Plus loin, ils écrivent, ce comportement "peut être ajusté en faisant varier la taille et la forme relatives de ces espaces vides ... [fournissant] un nouvel aperçu de l'auto-assemblage et de la conception de nanostructures complexes".

Alors que de fortes liaisons covalentes sont responsables de la formation de couches moléculaires bidimensionnelles, Les interactions de van der Waals fournissent la principale force d'attraction entre les couches. En tant que tel, Les forces de van der Waals sont en grande partie responsables de l'auto-assemblage des nanostructures tridimensionnelles complexes qui constituent la plupart des matériaux avancés utilisés aujourd'hui.

Les chercheurs ont démontré leurs découvertes avec de nombreux systèmes bidimensionnels, y compris les cadres organiques covalents, qui sont dotés de pores ajustables et potentiellement très larges.

"Je suis surpris que la relation compliquée entre l'espace vide et les forces de van der Waals puisse être rationalisée à travers des modèles aussi simples, " dit Yang. " Dans le même souffle, Je suis vraiment enthousiasmé par nos découvertes, car même de petits changements dans les forces de van der Waals peuvent avoir un impact marqué sur les propriétés des molécules et des matériaux."