Nanopartikler er bittesmå krystaller. I væske bevæger de sig mere eller mindre tilfældigt rundt mellem hinanden.

Større krystaller kan bygges op ved, at nanopartiklerne finder frem til lige præcis det sted, hvor deres krystalgitre passer perfekt sammen. Lidt ligesom to LEGO-klodser, der passer lige oven på hinanden.

Man kan forestille sig nanopartiklerne som mikroskopiske LEGO-klodser, hvor tappene er atomer med positive ladninger, og hullerne er atomer med negative ladninger.

På et tidspunkt er de lige over for hinanden, og den kraftige tiltrækning mellem atomernes ladninger får klodserne til at sætte sig sammen til en større krystal.

LEGO, der samler sig selv

Denne proces har man ikke tidligere kunnet observere ved at studere udtørrede krystaller. Men nu har et amerikansk forskningshold med dansk deltagelse, ved hjælp af en væskecelle indsat i et kraftigt elektronmikroskop, observeret, hvordan jernoxid-nanopartikler finder sammen og danner større krystaller.

Illustration af krystalvækst ved perfekt samling af nanopartikler i væske. Kun når to partiklers krystalstruktur er orienteret, så de passer sammen atom for atom, sætter partiklene sig sammen, som vist i trin 3.

»Når en partikel møder en anden, undersøger den, om den passer ind. Hvis ikke den gør, bliver den ved med at bevæge omkring, indtil den passer,« forklarer lektor Cathrine Frandsen fra DTU, Institut for Fysik, og fortsætter:

»Det ser ud, som om nanopartiklen mærker, at de atomare ladninger skal passe sammen. Den har meget få måder at gøre det på. Det er lidt ligesom med LEGO-klodser; der er også ganske få måder at sammensætte dem perfekt på.«

En vigtig forskel er dog, at nanopartiklerne faktisk er 'LEGO', der samler sig selv. 

Forståelsen af krystalvækst kan udnyttes

Cathrine Frandsen forsker i nanopartiklers egenskaber med henblik på at skabe nye materialer.

»Hvis man forstår, hvordan krystaller vokser, ved at nanopartikler sætter sig sammen, kan man udnytte det til at lave nye materialer, hvor nanopartiklerne er byggestenene,« forklarer Cathrine Frandsen.

I Rio Tinto-floden i Spanien dannes krystaller naturligt i vandet. Forskere ved nu, hvordan det går til.

Hun har været ansat på et postdocstipendie fra Det Frie Forskningsråd og gennem et års ophold samarbejdet med forskningsholdet fra Berkeley i USA om resultaterne, der er publiceret i det førende tidsskrift Science.

»Det er ret forunderligt, at vi nu kan se direkte hvordan partiklerne kobler sig sammen,« siger Cathrine Frandsen.

Hidtil har man ikke kunnet se, hvordan partiklerne bevægede og orienterede sig, inden de satte sig sammen. Nu har forskerne mulighed for at beskrive processen. Det har betydning for deres forståelse af krystalvækst, som den sker både i naturen og i laboratoriet, og for deres mulighed for at designe nye materialer.

»Med nanopartikler som byggestene, kan vi forestille os at skabe materialer med helt nye former og egenskaber. For eksempel meget tynde, aflange eller forgrenede strukturer, som kan bruges i fremtidig elektronik, måske som små kraftige magneter i mobiltelefoner eller som filtre til at rense vand for giftige ioner,« beretter Cathrine Frandsen.