Полистирол в быту является в разных формах. Коробочки для компакт-дисков, стаканчики для йогурта и материалы для теплоизоляции — лишь некоторые примеры из множества тех обиходных вещей, которые состоят из этого полимера. В наномире исследователи тоже используют полистирол — а именно, в виде крохотных шариков. С одной стороны, с их помощью можно изучать основополагающие феномены наномира, с другой — потому, что эти частицы участвуют в различного рода задачах, например, в структурировании поверхностей запоминающих устройств или биосенсоров. При этом, однако, шарики должны образовывать упорядоченные слои.

Как удалось выяснить Ульриху Йонасу (Ulrich Jonas) и его коллегам из Института полимеров им. Макса Планка (Майнц, Германия), это совсем не трудно — организовать в такие слои шарики, каждый из которых меньше одного мкм в диаметре. Для этого сначала их «выращивают» из водной эмульсии стирола, в которой стирол находится в виде взвеси мельчайших капелек — наподобие масла, размешанного в воде. Добавление в эмульсию специальной соли приводит к тому, что капельки стирола превращаются в шарики полистирола. Исследователи высушивают эти крохотные шарики, с тем чтобы вновь поместить в воду — теперь шарики уже не тонут, а плавают на поверхности воды. Такое удивительное поведение полимеров известно химикам давно, но природа его до сих пор не ясна. Возможно, дело в том, что при высушивании «водолюбивые» части полимера уходят внутрь шарика, а водоотталкивающие оказываются на поверхности.

Для получения слоев ученые используют как раз этот переменчивый характер полимеров. Правда, для просушки им приходится распределять шарики по достаточно широкой поверхности. Потому что затем шарики организуются в высокоупорядоченный слой только в том случае, если они не касались друг друга в процессе просушки.

Из воды — и снова в воду: сначала ученые из института Макса Планка получают из водной эмульсии стирола крохотные шарики (слева); помещенные снова в воду (в центре), шарики располагаются на ее поверхности в упорядоченный слой, после чего этот слой можно перенести на другой материал (справа). Рисунок: Max-Planck-Institut fur Polymerforschung

Как только высушенные шарики вновь попадают в воду (точнее, на воду), они плотно сдвигаются — так, что каждый из них окружен еще шестью. Это приводит к сильному сцеплению между ними — настолько сильному, что исследователи легко могут переносить образовавшуюся тонкую пленку на твердую поверхность. Для этого они погружают предмет, на который хотят нанести покрытие, в воду под плавающие на ее поверхности шарики и вновь вынимают. При этом полимерная пленка покрывает даже неровные поверхности. Таким же образом ученые могут получать не только однослойные строго организованные покрытия, но и наслаивать их друг на друга. «Свойства шариковых монослоев можно регулировать с помощью размера частиц полимера», — объясняет Йонас. Так, слои из меньших шариков подавляют блики на поверхностях. Слои же из более крупных шариков демонстрируют эффект лотоса: капли воды скатываются с них, при этом очищая поверхность. Полистироловые нанопокрытия можно использовать и в качестве маски для напыления и, в результате, структурировать наноскопические оптоэлектронные элементы.

Но, пожалуй, самое примечательное в таких слоях — мельчайшие просветы между шариками, которые неизбежны в силу самой их формы, даже когда они так плотно прилегают друг к другу. «Вообще говоря, тонкие полимерные пленки несложно получать и другими способами, — говорит Йонас. — Сложно потом делать в них отверстия». Новая технология исследователей из института Макса Планка делает покрытия пористыми — таков побочный эффект строгой упорядоченности.

Наряду с шариками из полистирола для получения тончайших полимерных слоев ученые использовали и другие — из плексигласа. «Наша технология открывает пути к созданию наноструктурированных материалов с новыми свойствами», — объясняет Йонас. В настоящее время его команда экспериментирует со слоями, которые должны состоять из шариков разной величины.