Смешав вместе фуллерены разных видов, можно вырастить кристалл, похожий на цветок клематиса размером всего несколько микрон.

Мы живём в эру минитюаризации электроники. На практике это означает появление всё более и более дешёвых структур микро- и нанометрового размера, которые можно запустить в серийное производство. Под такими структурами мы понимаем микроэлектронные устройства и их компоненты: транзисторы, светодиоды, всевозможные сенсоры, и т. д. Сама миниатюризация осуществляется двумя принципиально различными способами: «сверху» и «снизу», так же известные как bottom up и top down.

Цветы из фуллеренов С70 (Фото Jungah Kim et al., Scientific Reports 6, (2016)).

Фазы роста кристаллов (Фото Jungah Kim et al., Scientific Reports 6, (2016)).

Различные условия кристаллизации позволяют получить кристаллы разной формы (Фото Jungah Kim et al., Scientific Reports 6, (2016)).

Подход «сверху» – top down – подразумевает изготовление устройств из материалов макромира, которые после определённых манипуляций принимают нужную форму, размер и структуру. К подобным методам относятся литография, травление, выжигание лазером, напыление, печать. Например, транзисторы для процессоров делаются именно технологиями top down.

Подход «снизу», так же известный как самосборка и самоорганизация – это, в общем, формирование упорядоченных структур в специально созданных условиях. Примеры самосборки в живой и неживой природе можно найти повсюду: самоорганизация присуща молекулам, биологическим клеткам, кристаллам, полимерам и пр. Самосборку можно запускать «по заказу»: выращивать кристаллы заданной формы и наночастицы определённого размеры, собирать «оригами» из ДНК, метить биологические молекулы специальными маркерами и так далее.

Самосборочные принципы уже используются при создании некоторых микро- и наноустройств, например, при выращивании коллоидных квантовых точек и наночастиц. Поиски удачных рецептов самосборки – важное направление прикладной физики и биотехнологии, поскольку «загрузить» необходимые компоненты в реактор и получить гарантированный результат на выходе обычно проще, дешевле и быстрее, чем последовательно напылять, экспонировать, выравнивать, травить и закреплять с помощью сложных и дорогих приборов.

Джунга Ким (Jungah Kim) и её коллеги из южнокорейского Института фундаментальных наук в Пхохане специализируются на выращивании кристаллов из фуллерена – молекулярного соединения, которое относится к аллотропным формам углерода и которое по форме обычно похоже на шар. Аллотропами называют вещества с одинаковым химическим строением, но разной структурой и свойствами. Углерод обладает самым большим количеством известных аллотропов: графит, алмаз, графен, углеродные нанотрубки и несколько стабильных форм фуллеренов – из 60, 70 и 540 атомов. Фуллерен С₆₀ похож по форме на футбольный мяч, а С₇₀ – на немного растянутый шар. Контролируя структуру и морфологию кристаллов, мы можем снабдить наночастицы определённой каталитической активностью, электрической проводимостью и фотолюминесценцией.

Один из методов выращивания кристаллов – кристаллизация из жидкой фазы. Молекулы-кирпичики будущего кристалла взвешены в растворителе, и по прошествии определённого времени в растворе вырастают кристаллы нужной формы. Основная сложность здесь заключается в удачном подборе растворителя.

В предыдущих работах Джунга Ким и её коллеги набили руку на выращивании кристаллов из С₇₀ в растворе мезитилена C₆H₃(CH₃)₃, чья молекула представляет собой бензольное кольцо, в котором три из шести атомов водорода заменены метиловыми группами. Добавляя различные спирты в растворитель, химики синтезировали кубики и шестигранные трубки из фуллеренов С₇₀. В новых экспериментах они смешали С₆₀ и С₇₀ в мезитилене с этанолом. Молекулы С₇₀ формируют структуры с шестигранной симметрией. Во время следующего этапа роста С₆₀ и молекулы мезитилена образуют «лепестки» цветка. Весь процесс занимает около 10 минут.

Меняя относительные концентрации С₆₀ и С₇₀, и внося в раствор структуры, служащие затравками для роста (например, добавляя шестигранные трубки из С₇₀), химикам удалось получить цветки разных конфигураций, включая целые цветочные «стопки» и цветы на ножках. Полностью результаты экспериментов опубликованы в Scientific Reports.

Эта работа позволила лучше разобраться в механизме двухступенчатой кристаллизации в составном растворителе, а чем глубже мы понимаем роль каждого компонента системы в процессе кристаллизации, тем лучше можем контролировать результат. Пока неясно, для чего могут пригодиться такие кристаллы, но понимание механизма того, как они появляются, позволит химикам выращивать молекулярные кристаллы более сложной формы.