Facet-Lift: Selvmonterende nanopartikler kan gi nøkkel til nye materialer


Som cheerleaders som danner en menneskelig pyramide, kan mange partikler kunne sette seg inn i organiserte overbygg, en ny studie har funnet. En gjenstands form kan i stor grad påvirke hvordan det reagerer på trengsel, og noen små materialer som kalles nanopartikler, kan være i stand til å samle seg inn i intrikate mønstre når de er tvunget til å dele rom med naboer. I den

Som cheerleaders som danner en menneskelig pyramide, kan mange partikler kunne sette seg inn i organiserte overbygg, en ny studie har funnet.

En gjenstands form kan i stor grad påvirke hvordan det reagerer på trengsel, og noen små materialer som kalles nanopartikler, kan være i stand til å samle seg inn i intrikate mønstre når de er tvunget til å dele rom med naboer. I den nye studien satte forskere ved University of Michigan ut for å utføre en bred undersøkelse av hvordan partikkelformet driver dannelsen av større krystalliske strukturer. Studien, som dukket opp i 27 juli-utgaven av Science, kan hjelpe forskere å forutse oppførselen til designer nanopartikler og bygge tilpassede materialer fra relativt enkle selvmonterende byggeklosser. Det langsiktige målet er å designe nye materialer. "Vi vil ha nye ting, bedre ting, " sier studieforfatter Sharon Glotzer, en Michigan professor i kjemisk prosjektering, materialvitenskap og fysikk.

I stedet for å produsere utallige småpartikler og overvåke selvmontering fra forskjellige startforhold brukte gruppen datasimuleringer til å undersøke egenskapene til hypotetiske partikler med 145 forskjellige idealiserte polyedrale former. (En polyhedron er et fast stoff dannet av plane ansikter.)

Når de er pakket tett med identisk formede partikler, viste størstedelen av disse polyederne seg i en krystallgitter eller et krystallisk arrangement, viste simuleringene. Dessuten viste en formens tilbøyelighet til å samle seg å være sterkt korrelert med to enkle mengder som beskriver en partikkels form og dets startarrangement.

Glotzer og hennes kolleger hadde tidligere funnet at noen former naturlig selvmonterer. Men de nye simulasjonene viste at slik oppførsel er regelen, ikke unntaket. Noen av formene samles i vanlige krystaller-gitter der hver partikkel har en fast posisjon og orientering - og noen dannede plastkrystaller eller flytende krystaller. I en plastkrystall har hver partikkel en fast posisjon inne i gitteret, men kan rotere; en flytende krystall inneholder derimot partikler med korrelerte orienteringer, men fungible posisjoner. Samlet sett var 101 av de 145 polyhedrale typene selvmontert i en av de bestilte strukturer. "Jeg ville ikke tro at de fleste av disse figurene ville ha organisert seg i en krystall eller et krystallisk arrangement, sier Glotzer. "Hvor lett det ville være for disse partiklene å krystallisere var en overraskelse."

Videre viste noen av figurene en imponerende koordinert samlingsprosess. En pyramideform med en firkantet base, for eksempel, sluttet seg til "supercubes" med seks pyramider, som deretter dannet et større kubisk gitter. "Vi fant at mange partikler danner utrolig komplekse strukturer, " sier Glotzer. "Systemet må finne ut som en helhet at det er den beste måten å ordne ting på."

Forskerne fant også at den kollektive oppførelsen av en bestemt partikkeltype var langt fra tilfeldig. Faktisk forutsetter to tall alt annet enn utfallet av krystalldannende simuleringer. Et tall som heter isoperimetrisk kvotient, som grovt fanger en partikkelform formet utelukkende på dens volum og overflateareal, og et mål kalt koordinasjonsnummer, som beskriver hvor mange nær naboer en partikkel har, spådde 94 prosent av tiden hvilken av de krystallinske former en polyeder ville ta. Bredt sett hadde flate, hakkede polyeder - som en horisontal del av en sekskantet kolonne - tendens til å danne flytende krystaller. Mange fasetterte partikler, nesten sfæriske i form, favoriserte utviklingen av plastkrystaller. Og domenet til vanlige krystaller inneholder mange kjente former-kuber, triangulære prismer, skråsidige rhombohedrons. Forholdet mellom form og selvmontering kan brukes til å skreddersy nanopartikler for å vise en bestemt kollektiv oppførsel.

Selv de 44 polyeder som motstod selvmontering, kunne gi fôr til fremtidige designermaterialer. "Noen av dem vi løp og løp [simuleringen], og vi kunne ikke få dem til å danne noe, " sier Glotzer. "Men for hver av disse partiklene som ikke vil krystallisere, er det en annen partikkel som ser nesten det samme som krystalliserer hver gang." Hvis forskere kunne finne ut nøyaktig hva som gjør en partikkel i en krystall, mens en nær-tvilling slår seg i en uordnet tilstand, kan de kanskje designe formskifterpartikler hvis kollektive egenskaper ville forvandle seg med en liten strukturell tweak til de enkelte byggeblokkene .

"Dette er en hellig grunne av materialforskning, bare å se på en byggestein og kunne si, " Åh ja, jeg vet alle slags krystallstruktur som ville være stabil med dette, "sier Glotzer. "Denne studien gjør at vi kan ta et første skritt i den retningen."

Når det kommer til fotosyntese, utfører planter kvantumberegningOceanic Dead Zones Fortsett å spreAstronautene tar første biter av salat vokst i rommetSoaring City SlickersVil fornyet interessen for kjernefysisk kraft gjenopplive uranindustrien?Hva er neste for NASAs nye astronautklasse?Gå FjerdeTopp Sci / Tech Gaver 2003