MIT-ийн эрдэмтэд 20 жилийн дүрмийг эвдэж, урьд хэзээ харагдаагүй талст бүтцийг нээв

Эрдэмтэд аль хэдийн хэдэн арван жилийн турш жижиг бөөмсүүд хэрхэн холбогдож, дэвшилтэт материал үүсгэдгийг хянах гэж оролдож ирсэн. Харин одоо MIT-ийн судлаачид болон тэдний хамтран ажиллагсад өмнө нь шаардлагатай гэж үздэг байсан зүйлийнхээ яг эсрэгийг хийснээр гайхалтай үр дүн гаргаж болохыг илрүүлжээ.

Наноб өөрийн бөөмсийг зохион байгуулалттай бүтцэд байрлуулахын тулд хатуу молекул холбоосуудад найдахын оронд, судлаачдын баг маш уян хатан холбогч бүтээсэн бөгөөд бөөмсүүд нийлэх тусам тэдгээр нь мушгин тохируулдаг. Энэхүү гэнэтийн арга нь эрдэмтдэд наноб бөөмсүүд хэрхэн өөрсдөө зохион байгуулагдахыг хянах шинэ боломж олгож, өмнө нь хэзээ ч ажиглагдаагүй талст бүтцийг бий болгох боломжийг нээж өгч байна.

Энэ нээлт материалын шинжлэх ухааны нэгэн томоохон саадыг даван туулахад тусалж, нарийн зохиомжлогдсон шинж чанартай бодисыг бүтээх шинэ боломжуудыг нээж болзошгүй юм. Боломжит хэрэглээнд электроник, анагаах ухаан, эрчим хүчний технологи, хөдөө аж ахуй, химийн үйлдвэрлэл орно.

Nature Materials сэтгүүлд хэвлэгдэх нийтлэлд тайлбарлагдсан эдгээр судалгаа нь молекул холбогчийн уян хатан байдал болон цахилгаан цэнэг нь наноб бөөмсүүдийн үүсгэх бүтцийг хэрхэн тодорхойлдгийг харуулж байна.

MIT-ийн судлаачид материалын шинжлэхийн 20 жилийн үзэл баримтлалд эргэлзэж байна

"Хүмүүс наноб бөөмсийн суперторуудад сонирхолтой хандаж байгаа нь тэдгээрээс ямар бүтэц барьж болохыг илүү сайн хянах боломжтой “зохиомж материал” бүтээх амлалтаас шалтгаалж байна" гэж MIT-ийн Материал шинжлэх ухаан, инженерчлэлийн тэнхимийн Металлургийн Ричард П. Симмонсын (1953) профессор Роб Макфарлэйн хэлэв. "Энэ бол наноб бөөмсийг угсрах шинэ арга бөгөөд өмнө нь хэзээ ч судлагдаагүй юм. Ийм ер бусын шинэ хэрэгсэлтэй болсон нь сонирхолтой. Энэ нь 20 жилийн турш баримталж ирсэн үзэл баримтлалын яг эсрэг юм: холбогч лигандуудыг хатуу болгох ёстой, ямар нэгэн хазайлт гарвал угсралт бүтэлгүйтдэг гэсэн үзэл. Бид үүнийг эсрэг туйлд нь хүртэл бүрэн хийвэл мөн адил сайн ажиллаж байгааг харуулсан."

Судалгааны багт MIT-ийн докторантур Никлас Сбалби, Делавэрийн их сургуулийн докторант Стивен Кроненбергер, MIT-ийн бакалаврын оюутан Хана Шинзава, 2026 онд докторын зэрэг хамгаалсан Матью Е болон Делавэрийн их сургуулийн эмерит профессор Арти Жаяраман нар оролцжээ.

Нээлтийн гол зарчим бол материалын шинжлэх ухааны үндсэн үзэл баримтлал юм: материалын хамгийн жижиг бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн байрлал тэр материал хэрхэн ажиллахыг тодорхойлдог.

"Энэ нь таны барилгын блокууд юу болохыг, тэдгээр хэрхэн байрласныг мэдэж байвал материалд ямар шинж чанар байгааг тайлбарлаж чадна гэсэн үг" гэж Макфарлэйн хэлэв. "Үүнийг хянаж чадах нь шинэ шинж чанартай материал бүтээх арга юм."

Энэ зарчим нь хэлбэр, хэмжээ, шинж чанараараа янз бүрийн зорилгод тохируулж болох маш жижиг бодисын хэсэг болох наноб бөөмстэй ажиллахад онцгой чухал юм. Эрдэмтэд аль хэдийн эмийн нийлүүлэлт, эрчим хүчний хадгалалт, компьютер, мэдрэгчтэй холбоотой технологид ганц наноб бөөмсийг ашиглаж байна.

Гэвч эдгээр бага хэмжээний барилгын блокуудыг том, зохион байгуулалттай материал болгон хувиргах нь хүнд бэрхшээл юм.

Наноб бөөмсийг хянахад хэцүү байгаа шалтгаан

Хамгийн том саадуудын нэг нь наноб бөөмсүүд хоорондоо хэрхэн наалдахыг хянах явдал юм. Судлаачид нэг наноб бөөмс хэдэн хөрш бөөмстэй холбогдохыг төдийгүй эдгээр холбоо ямар чиглэлд үүсэхийг тодорхойлох шаардлагатай.

Ийм хяналтгүйгээр наноб бөөмсүүд хэт нягт савлагдсан байрлалд угсрагдах хандлагатай байдаг бөгөөд энэ нь судлаачдын бүтээж чадах бүтцийн төрлийг хязгаарладаг. Ийм нөхцөлд онцгой эсвэл тусгай шинж чанартай материал бүтээх боломж багасдаг.

Судлаачид уламжлал ёсоор энэ асуудлыг хоёр аргаар шийддэг байсан. Нэг стратеги нь наноб бөөмсийн хэлбэрийг өөрчилж, тэдгээрийн хоорондоо хэрхэн таарахад нөлөөлдөг. Өөр нэг нь гадаргуугийн тодорхой хэсгүүдийг өөрчилж, зөвхөн тодорхой талбарууд хөрш бөөмсийг татахаар болгодог.

Үр дүнд нь эрдэмтэд бөөмсүүд хаана наалдахыг хянахыг оролддог бөгөөд энэ нь зөвхөн тодорхой байрлалд холбогдох чадвартай оньсого хэсгүүдийг зохиохтой адил юм.

Эдгээр аргууд ашигтай бүтэц бүтээж чадах ч ихэвчлэн нарийн төвөгтэй, онцгой ур чадвар шаарддаг бөгөөд том хэмжээний үйлдвэрлэлд дасан тохируулахад хэцүү байдаг.

"Эдгээр хоёр аргын бэрхшээл нь бөөмсийг үүсгэх явцад химийн аргаар хийхэд хэцүү байдагт оршино" гэж Макфарлэйн тайлбарлав. "Наалдамхай чанарыг тодорхойлох аргууд нь үргэлж захиалгаар хийгддэг: Эдгээр нь нэг материал, нэг хэмжээ, нэг нөхцөлд л ажилладаг. Судлахад сайн боловч тэдгээрээр бодитой юм хийхэд хэцүү."

Эдгээр хоёр стратеги нь лиганд гэж нэрлэгдсэн молекул холбогчдод бас тулгуурладаг. Эдгээр молекулууд наноб бөөмсийн гадаргуутай холбогдож, хөрш бөөмсийг хооронд нь холбоход тусалдаг.

Уламжлал ёсоор судлаачид эдгээр лигандуудыг хатуу болгож, холболтууд нь тодорхой өнцгөөр байх ёстойг хичээж ирсэн. Энэ нь хүссэн зохион байгуулалтыг хадгалахад тусалдаг боловч мөн үүсч болох бүтэц болон тэдгээрийн гүйцэтгэх функцийг хязгаарладаг.

MIT-ийн баг огт өөр боломжийг судлахаар шийдсэн.

Уян хатан молекул холбоосын талаарх гайхалтай нээлт

Молекул холбогчдыг тогтмол байрлалд байлгахын оронд судлаачид тэдэнд бараг бүрэн эргэх эрх олгож болох эсэхийг бодсон. Энэ нь хяналтын шинэ хэлбэрийг бий болгож чадах уу?

"Бид 'Яг эсрэгээр нь хийцгээе: холбоосуудыг аль чиглэлд чиглэснээс үл хамааран маш уян хатан болгоё' гэж бодсон. Бөөмсүүд нийлэх үед лигандууд өөрсдийгөө дахин зохион байгуулж чадах бөгөөд энэ дахин зохион байгуулалт нь хэр олон хөрш бөөмстэй холбогдож болохыг өөрөө хязгаарладаг" гэж Макфарлэйн хэлэв.

Энэ санаа нь наноб бөөмсийг угсрах уламжлалт аргыг эсрэгээр нь хийж байна. Холбоос бүрийн чиглэлийг урьдчилан хянахын оронд эрдэмтэд бөөмсүүд харилцан үйлчлэх үед холбогчдыг байгалийн жамаар тохируулахыг зөвшөөрдөг.

Макфарлэйнгийн лаборатори олон жилийн турш хавсаргасан полимер гинжин хэлхээг ашиглан янз бүрийн төрлийн наноб бөөмс бүтээх аргуудыг хөгжүүлж ирсэн. Полимер нь давтагдах жижиг нэгжүүдээс бүрдсэн том молекул бөгөөд тэдгээрийн уян хатан байдал нь тохируулж болох молекул холболт бүтээхэд ашигтай байдаг.

Шинэ системд судлаачид наноб бөөмсүүдэд үзүүрт нь цахилгаан цэнэг агуулсан маш уян хатан лиганд суулгасан. Зарим нь эерэг, зарим нь сөрөг цэнэгтэй байдаг.

Эсрэг цэнэгүүд татдаг тул холбогч молекулууд эсрэг цэнэгтэй хамтрагч руугаа байгалийн жамаар мушгидаг. Энэ татах хүч нь наноб бөөмсийг хамтад нь нийлүүлэхэд тусалдаг бол холбогчдын уян хатан байдал нь бөөм бүрийн хийж чадах холболтын тоонд нөлөөлдөг.

"Санаа нь төвөгтэй нийлэгжүүлэлтийн аргаар холбоо ямар чиглэлд үүсэхийг тодорхойлохын оронд бид холбоосууд хүссэн хэмжээгээрээ уян хатан байх ёстой гэж хэлсэн, тэгээд тэд хамгийн тогтвортой холболтын валентийг өөрсдөө олно" гэж Макфарлэйн хэлэв.

Энэ контекстэд валент гэдэг нь наноб бөөмс хөрш бөөмстэйгөө хэдэн холболт үүсгэж байгааг хэлнэ. Холбогчдыг чөлөөтэй хөдөлж чадах болгосноор судлаачид системийг урьдчилан бүх холболтыг зохиолгүйгээр тогтвортой байрлалд байгалийн жамаар тогтож чадна гэдгийг олж мэдсэн.

Эрдэмтэд хэзээ ч харж байгаагүй талст бүтцийг бүтээв

Сбалбигийн удирдсан туршилтууд судлаачид наноб бөөмсийн хоорондын холболтыг хоёр харьцангуй энгийн шинж чанараар тохируулж чадна гэдгийг харуулсан: бөөмсийн хэмжээ болон тэдгээрийн уян хатан молекул гинжний урт.

Эдгээр тохируулга нь бөөмсүүд хэрхэн угсрагдахад нөлөөлж, баг бөөм бүр хэдэн хөрш бөөмстэй холбогдохыг хянах боломжтой болсон.

Хамгийн чухал нь судлаачид энэ аргыг ашиглан өмнө нь хэзээ ч харагдаагүй талст бүтцийг бүтээсэн.

Талстууд нь барилгын блокууд нь зохион байгуулалттай, давтагдах хээ үүсгэдэг материал юм. Энэ тохиолдолд давтагдах байрлалууд нь атом эсвэл жижиг молекулаас бус наноб бөөмсөөс бүрддэг. Ийм эмх цэгцтэй наноб бөөмсийн сүлжээг ихэвчлэн суперторууд гэж нэрлэдэг.

Хөрш бөөмсийн хоорондох холболтын тоог бууруулснаар баг наноб бөөмс угсрахад ихэвчлэн үүсдэг нягт савлагдсан бүтцийн оронд илүү нээлттэй бүтцийг бий болгож чадсан.

"Бөөмс хаана холбогдох эсвэл тэдний хэлбэр ямар байхыг урьдчилан зохиох шаардлагагүйгээр бид бөөм бүрт хэдэн холбоос байхыг хянах боломжтой" гэж Макфарлэйн тайлбарлав. "Полимерын уян хатан байдал нь түүнд хэдэн холбоос байхыг тодорхойлдог. Энэ нь бөөм бүрийн холбоосын тоог бууруулж, өмнө нь хэзээ ч харж байгаагүй торыг бүтээх боломжийг олгодог."

Үр дүн нь молекулын уян хатан байдал, нэг удаа наноб бөөмсийг нарийвчлан угсрахад саад гэж үздэг байсан зүйл нь материалын шинэ бүтцийг бүтээх хүчирхэг хэрэгсэл болж чадахыг харуулж байна.

Захиалгаар бүтээх зохиомж материалд чиглэсэн шинэ зам

Судлаачид тэдний арга нь материалын шинжлэх ухааны нэгэн урт удаан хугацааны зорилгод ойртуулж чадна гэж үзэж байна: наноб бөөм бүрийн шинж чанарыг тэдгээрийн том бүтцээс хамааралгүйгээр сонгох.

Идеал нь эрдэмтэд наноб бөөмсийг цахилгаан, оптик, химийн болон бусад хэрэгтэй шинж чанарыг нь үндэслэн сонгож, дараа нь тэдгээрийг тодорхой хэрэглээнд хамгийн тохиромжтой байрлалд зохион байгуулах явдал юм.

Гэвч практикт одоогийн угсралтын аргууд ийм түвшний уян хатан байдлыг хэрэгжүүлэхэд хэцүү байсаар ирсэн.

"Бид наноб бөөмсийн угсралтын нийгэмлэгт 'Бөөм чинь юу вэ, ямар угсралтад орох вэ' гэдгийг бүрэн бие даан хянах тухай ярьдаг" гэж Макфарлэйн хэлэв. "Онолын хувьд энэ нь тийм байх ёстой. Бодит байдал дээр энэ нь огт тийм биш байсан."

Шинэ арга нь энэ зайг бүрхэхэд тусална. Судлаачид холбогчдынхоо уян хатан байдал, цахилгаан цэнэгийн татах хүчээр наноб бөөмсийн байрлалд нөлөөлж чаддаг тул уламжлалт үйлдвэрлэлийн төвөгтэй арга техникгүйгээр илүү олон төрлийн бүтэц бүтээж чадах магадлалтай.

Баг мөн энэ нээлтийг том хэмжээний захиалгат материал үйлдвэрлэх ирээдүйтэй зам гэж харж байгаа бөгөөд наноб бөөмсийн технологийг лабораторийн туршилтаас практик хэрэглээ руу шилжүүлэхэд тусалж магадгүй юм.

Электроник, анагаах ухаан, эрчим хүчний боломжит хэрэглээ

Илүү нээлттэй, олон янзын наноб бөөмсийн бүтэц бүтээх чадвар нь дэвшилтэт материал боловсруулахад онцгой ач холбогдолтой байж болно.

Гэрлийг хянах, удирдахтай холбоотой фотоникийн салбарт нарийн зохион байгуулалттай наноб бөөмс судлаачдад тусгай оптик шинж чанартай материал зохиоход тусалж болно. Химийн катализд, буюу бодисууд химийн урвалыг хурдасгадаг салбарт бөөмсийн шинэ байрлал катализаторын ажиллагааг сайжруулах боломж олгож болно.

Энэ арга мөн анагаах ухаан, хөдөө аж ахуй, электроник, эрчим хүчний технологид ирээдүйн хөгжлийг дэмжиж магадгүй юм.

Гол давуу тал нь наноб бөөмс аль хэдийн олон төрлийн хүсүүштэй шинж чанартай байж чаддаг явдал юм. Бөөмсүүд хэрхэн нийлж байгааг хянаснаар эрдэмтэд тэдгээрийн бие даасан чадварыг шинэ хэлбэрээр нэгтгэж болно.

"Наноб бөөмсийн суперторууд таны барилгын блокууд янз бүрийн онцгой шинж чанартай байх зохиомж материал бүтээх арга юм" гэж Макфарлэйн хэлэв. "Гэхдээ зөвхөн эдгээр наноб бөөмсийг нягт савлах нь таны хэрэглээг хязгаарладаг. Энэ нь наноб бөөмсийн илүү нягт бус бүтцийг бий болгох арга бөгөөд сонирхолтой хэрэглээ ихэнх нь тэнд байдаг."

Энэ аргыг арилжааны технологид хэрэгжүүлэхийн тулд цаашдын хөгжүүлэлт шаардлагатай хэдий ч нээлт нь молекулын уян хатан байдлыг захиалгат бүтэцтэй материал бүтээх шинэ стратеги болгон тогтоож байна.

Муруйж буй молекул холболтыг арилгах асуудал гэж үзэхийн оронд эрдэмтэд одоо тэр уян хатан байдлыг ашиглан хатуу загваруудад хэцүү байсан зохион байгуулалтыг нээж чадах болов уу.

Судалгаанд Үндэсний шинжлэх ухааны сан, Эрчим хүчний яам, АНУ-ын арми болон АНУ-ын тэнгисийн цэрэг хэсэгчлэн дэмжлэг үзүүлсэн.