Wissenschaftler bieten "große Designer-Atome" auf Anfrage an

03.06.2019 - USA

In nicht allzu ferner Zukunft können Forscher vielleicht mit einem Klick Atome nach ihren Vorgaben bauen. Es ist immer noch Science-Fiction, aber ein Team der University of Colorado Boulder berichtet, dass es immer näher kommt, wenn es darum geht, Partikel zu kontrollieren und zusammenzusetzen, die "große Atome" genannt werden.

Die neue Forschung, die in Nature veröffentlicht wird, konzentriert sich auf kolloidale Partikel, die, wenn sie mit Flüssigkristallen vermischt werden, ähnlich den Elementen des Periodensystems wirken. Diese Partikel geben Physikern die Möglichkeit, zu untersuchen, wie sich Wasserstoff, Helium und andere Atome verhalten und interagieren, ohne auf die Atomebene herunterzoomen zu müssen.

Indem das Team beispielsweise die großen Atome verschiedenen Lichtarten aussetzte, zeigte es, dass es seine Ladung mit einem Handgriff umdrehen konnte. Mit anderen Worten, Partikel, die sich einst angezogen haben, stoßen sich jetzt gegenseitig ab.

"Weil wir so viel Kontrolle haben, haben wir die Möglichkeit, zu entwerfen, wie sich diese Partikel zusammensetzen und welche Eigenschaften sie haben", sagte Ivan Smalyukh, Professor am Department of Physics. "Es ist wie ein Designer-Toolkit."

Dieses Designer-Toolkit beginnt mit einem einfachen Bestandteil: Flüssigkristallen.

Diese Materialien, die für die scharfen Bilder auf dem Bildschirm Ihres Smartphones sorgen, bestehen oft aus Molekülen in aufgeräumter Anordnung, wie beispielsweise Stäben, die alle in eine Richtung zeigen.

In den letzten zehn Jahren haben Wissenschaftler jedoch etwas Seltsames an diesen flüssigkeitsähnlichen Materialien bemerkt. Wenn man Partikel, wie mikroskopisch kleine Kieselerde, in Flüssigkristalle fallen lässt, werden sich die einst geordneten Moleküle im Inneren biegen und zusammendrücken, um Platz für die neuen Ergänzungen zu schaffen.

Und bemerkenswert ist, dass die Art und Weise, wie sich diese Flüssigkristalle biegen, mathematisch analog zu den Strukturen der Elektronenhüllen von Atomen sein kann.

"Wie sich die Flüssigkristalle um die Partikel herum biegen, ist sehr wichtig", sagt Smalyukh, ebenfalls im Materials Science Engineering Program und Department of Electrical, Computer, and Energy Engineering. "Wenn du diese Moleküle störst, kostet das Energie, und diese Energie treibt interessante Wechselwirkungen an."

Biegt man die Flüssigkristallmoleküle genau richtig, klumpen die Siliziumdioxidstücke ineinander, als wären sie zwei Atome, die sich miteinander verbinden - nur viel größer.

Das Problem, sagte Smalyukh, ist, dass die Wissenschaftler bis vor kurzem nur sehr wenig Kontrolle über die Interaktionen dieser "großen Atome" hatten. Seine Gruppe hatte die Lösung.

Um ihre einzigartige kolloidale Mischung herzustellen, verwendeten Smalyukh und seine Kollegen Siliziumdioxidstücke in Form von Sechsecken für ihre großen Atome. Aber bevor sie diese Partikel in Flüssigkristalle tauchen, beschichteten die Forscher sie mit einer Art Farbstoff, der sich ändert, wenn er verschiedenen Lichtarten ausgesetzt ist.

Wenn die Forscher ihre Mischung einer bestimmten Art von blauem Licht aussetzten, würden sich die Flüssigkristallmoleküle nach einem Muster um die Sechsecke biegen. Benutzt man eine andere Art von Licht und sie würden sich auf eine ganz andere Weise biegen.

Die Gruppe berichtete, dass sie die effektive Ladung eines großen Atoms nach Lust und Laune von positiv auf negativ und wieder zurück schalten könnten.

"Es ist fast so, als ob man mit Licht Materie in Antimaterie verwandeln kann", sagte Ye Yuan, ein Postdoc in Physik und Hauptautor der neuen Studie. Weitere Mitautoren waren die Postdocs Qingkun Liu und Bohdan Senyuk.

Und, sagte Yuan, das Team war in der Lage, diese Interaktionen mit einer gewöhnlichen Lampe mit einem Filter darauf zu steuern - keine Hochleistungslaser erforderlich.

"Im Prinzip könnten wir einen guten, sonnigen Tag in Colorado haben und unsere Proben nach draußen bringen und diese Wechselwirkungen sehen", sagte Yuan.

Was ihn begeistert, was das Team mit diesen großen Atomen aufbauen konnte. Die Forscher glauben, dass sie mit den richtigen Einstellungen ihre Methode nutzen könnten, um Partikel auf einzigartige Weise zusammenzusetzen und faux-atomare Strukturen zu erzeugen, die es in der Natur nicht gibt - dann lösen sie diese Strukturen genauso leicht auf.

"In gewisser Weise müssen wir noch herausfinden, was wir damit machen können", sagte Smalyukh.

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