Tredimensionella former fyller det fysiska rummet på ett visst sätt. Om du häller marmor i en burk, kulorna packas slumpmässigt in i burken. Om du noggrant placerade varje marmor, lager för lager i burken så att marmor i ett lager sitter i sprickorna mellan marmor på lagret under den, du kan packa några fler kulor i burken än om den var slumpmässigt packad. Detta ger dig packningen med högsta densitet, eller minst utrymme mellan partiklar.

Linus Pauling tillämpade denna idé om packningstäthet på joner, och föreslog att packningsprinciper leder till bildandet av kristallstrukturer. Naturen gillar inte tomt utrymme, så partiklar bör packas i den högsta densiteten eller tätt packade formationen. Inom materialvetenskap, kolloidkristaller och supergaller av nanopartiklar bildas via självmontering av små partiklar där partiklarna bildar en termodynamiskt stabil struktur. De strukturer som nanopartiklar bildar är mycket ofta de som finns i konventionella metaller:ansiktscentrerad kubik, enkel kubik, och kroppscentrerad kubik.

Teorin är att förpackningsprinciper styr självmontering av kolloidala kristaller. Dock, forskare från University of Michigan har visat att beställningsmekanismen för kolloidkristaller inte gör det orsak partiklar att självmontera. Istället är kristallmontering och packning korrelerade, inte kausal. Vidare, de visar att förpackningsprinciper kanske inte är det bästa förutsägelsesverktyget för kolloidal kristallform. Deras arbete dyker upp i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Vid självmontering, en termodynamiskt stabil struktur bildas. Denna struktur minimerar fri energi. För kolloider, detta händer ofta när entropin är som högst. Dock, när man studerar de mekanismer som styr självmontering, forskare tittar på vad som händer under extrema förhållanden. Vid mycket höga tryck, snarare än att maximera entropi, hårda partiklar maximerar densiteten.

För att undersöka den grundläggande frågan om förpackningsprinciper styr självmontering, Cersonsky, et al. använde modelleringsmetoder för att jämföra tre olika densitetsbegrepp. Den första är självmonteringsdensiteten, som är den lägsta densiteten där självmontering observeras. Den andra är packningstätheten. Som namnet antyder, detta är den lägsta densiteten där packningsbeteende observeras. Den tredje termen är slumpmässig nära packningstäthet, vilket är den maximala densitet som systemet kan hittas i ett stört tillstånd.

När man tittar på matematiska modeller vid mycket höga tryck (dvs. oändligt tryck), det bör finnas en gräns vid vilken partiklar ska packas. Författarna testade för denna gräns med Maxwell -relationer för att definiera packningstäthet. Om självmonteringsdensiteten befinner sig ungefär lika med packningstätheten, då är förpackningen sannolikt vägledande för självmontering. Dock, om självmonteringsdensiteten är mindre än förpackningstätheten, då leder något annat än förpackningsregler till självmontering. Vidare, förpackningstäthet jämförs med slumpmässig nära förpackningstäthet.

Cersonsky et al. fann att i alla polyhedrala system som de studerade (FCC, SC, och BCC) förpackningstätheten var större än den slumpmässiga nära förpackningstätheten, som var större än den minimala densiteten för självmontering. Detta resultat visar att spontan ordning inte sker på grund av en packningsmekanism och att dessa system inte kan beställas genom packning. Med andra ord, förpackningsregler är inte nödvändigtvis förutsägbara för de ideala formerna för självmontering trots att den täta förpackningsstrukturen är den mest termodynamiskt stabila strukturen.

Detta papper tittade på nanopartiklar som inte var begränsade. Enligt Greg van Anders, biträdande professor i fysik och medförfattare till tidningen, "Vi förväntade oss att vi skulle upptäcka att kolloider skulle beställa genom att packa. I stället vi upptäckte att de inte gör det. Detta är särskilt förvånande eftersom partiklar inte packas även när strukturerna de bildar är så kallade "tätt packade" strukturer. "

Vanligtvis inom materialvetenskap, förpackningsregler används för att förutsäga den optimala formen för en nanostruktur, men med tanke på dessa resultat frågan blir om, och när, förpackningsregler kan användas för att förutsäga den termodynamiskt optimala formen för självmontering.

Det finns fortfarande en viss korrelation mellan förpackningsform och optimal partikelform, och därför, förpackningsform kan vara till hjälp för att styra förutsägelser, men ideala förpackningsformer bör inte vara målet för nanostrukturmontering. Dr. van Anders påpekar att detta faktiskt är goda nyheter för människor som försöker syntetisera polyhedrala nanopartiklar som självmonteras till nanostrukturer:

"Efter att vi funnit att mekanismen som driver strukturbildningen inte är packning, vi insåg att detta kan innebära att perfekt formade partiklar, som packar tätast, men kan vara tekniskt utmanande och dyrt att göra, kanske inte är den perfekta formen för målstrukturer. "

© 2018 Phys.org