Forskare från Cornell använde datorsimuleringar för att visa hur sammansättningen av vertex-trunkerade tetraedrar påverkas när de är instängda i en sfärisk behållare. Resultaten erbjuder materialforskare en ny metod för att kontrollera monteringsstrukturen och egenskaperna hos det resulterande materialet. Kredit:Rachael Skye
Att klämma ihop flera par skor i en semesterresväska, vrida och vända dem till olika arrangemang för att passa varje par som behövs, är ett välbekant optimeringsproblem som förhärskade resenärer står inför. Samma problem är välkänt för ingenjörer - när de ges ett antal föremål med en viss form, hur kan de packas i en behållare? Och vilket mönster kommer den förpackningen att bilda?
Till skillnad från innehållet i en resväska kan sättet på vilket mikroskopiska partiklar packas ihop användas för att konstruera egenskaperna hos materialen de bildar; till exempel hur ljus eller elektricitet går igenom. Materialforskare har länge studerat hur montering av partiklar i ett begränsat utrymme kan användas som ett verktyg för att ge material nya förmågor, men hur partiklar med unika former interagerar med en barriär är fortfarande dåligt förstått.
En ny studie av forskare vid Cornell Universitys institution för materialvetenskap och teknik använde datorsimuleringar för att visa hur sammansättningen av vertex-trunkerade tetraedrar - en partikelform som har fyra sexkantiga ytor och fyra triangulära ytor - påverkas när den är begränsad inuti en sfärisk behållare. Resultaten, publicerade i tidskriften Soft Matter , erbjuda materialforskare en ny metod för att kontrollera sammansättningsstrukturen och egenskaperna hos det resulterande materialet.
Simuleringar av 10 000 partiklar i sfäriska behållare, (a–c) sett från utsidan och (d–f) som tvärsnitt. Tre olika former är framhävda:platonska tetraedrar (a och d), rymdfyllande trunkerade tetraedrar (b och e) och arkimedeiska trunkerade tetraedrar (c och f). Färgen motsvarar de lokala partikelmiljöerna:blått representerar partiklar som övervägande är vertex-till-vertex, och apelsiner motsvarar övervägande vertex-to-edge. Vita partiklar är okategoriserade. Simuleringarna visar att en vägg kan förändra beteendet hos partiklar nära den, vilket gör det möjligt för forskare att selektivt sätta ihop olika strukturer. Kredit:Rachael Skye
"Det brukade vara så att teoretiker i första hand skulle göra simuleringar med sfärer eftersom de flesta partiklar är ungefär sfäriska, och beräkningsmässigt var det enklast", säger Rachael Skye, doktorand och första författare till studien, "men experimentalister kommer hela tiden på spännande sätt att kontrollera formen och nu kan de göra kolloidala partiklar som tetraedrar, oktaedrar eller kuber. Med avancerad datorkraft kan vi simulera dessa former, men också gå längre och förutsäga vad nya, ännu inte syntetiserade partiklar kan göra."
För att hjälpa till att fylla kunskapsluckan i hur dessa partikelformer sätts samman i instängdhet, simulerade Skye och studiens seniorförfattare, Julia Dshemuchadse, biträdande professor i materialvetenskap och ingenjörskonst, tetraedriska partikelsammansättningar i sfäriska behållare. Var och en innehöll så få som fyra partiklar och så många som 10 000. I varje simulering skulle behållaren krympa så mycket som möjligt med det programmerade antalet partiklar inuti den.
"Denna simulering efterliknar hur vissa kolloidala material produceras, med partiklar placerade inuti en vätskedroppe som drar ihop sig när den avdunstar", säger Dshemuchadse.
Dessa partiklar kan passa ihop på ett antal sätt, men det finns två distinkta motiv:inriktade, med sexkantiga ytor intill, eller antiinriktade, med en hexagonal sida intill en triangulär. Varje motiv driver en övergripande struktur som anpassar sig till behållarnas gränser på olika sätt.
Ett exempel på ett kolloidalt kluster från instängd självmontering i en vatten-i-olja emulsionsdroppe, ett projekt som leds av Friedrich-Alexander University Erlangen-Nürnberg. Cornell-simuleringarna kan hjälpa till att kontrollera sammansättningen av framtida kolloidala material. Kredit:Wang, J., Mbah, C.F., Przybilla, T. et al. Magiska tal kolloidala kluster som minsta fria energistrukturer. Nat Commun
"Om du har dessa anti-inriktade partiklar, då kan du bilda platta lager riktigt bra och stapla oändligt breda, vilket gör en riktigt bra kristall", säger Dshemuchadse, som tillade att detta motiv gynnas när man simulerar ett stort antal partiklar eftersom den större behållaren storlek har mindre krökning, "men om du har partiklarna inriktade kan strukturen bilda ett krökt motiv som passar bättre in i ett sfäriskt skal. Vid litet antal partiklar gynnas det justerade motivet eftersom de mindre behållarna har stora krökningar."
Fynden ger materialforskare en metod för att odla stora kristaller i system av partiklar som vanligtvis inte sätts samman till ordnade strukturer. Andra metoder för att uppnå en välordnad kristall involverar tekniker som att "så" materialet med partiklar begränsade i specialiserade orienteringar som driver motsvarande struktur, men sådana metoder kräver tillverkning av nya typer av partiklar, vilket skulle vara mindre okomplicerat i en experimentell realisering av dessa system. Däremot är det ofta normen att bilda kristaller på ett plant underlag, och denna studie pekar på hur denna teknik kan gynna den resulterande strukturen.
"Kolloidala kristaller tenderar att vara små och fulla av defekter, men för att de ska vara användbara i de flesta applikationer måste de vara ganska stora och defektfria", sa Skye. "Tanken är att genom att välja din behållare eller vägg korrekt kan du göra en kristall som är mycket större och av bättre kvalitet än du annars skulle kunna."
Skye tillade att inom områden som plasmonik och fotonik kan denna monteringsteknik användas för att orientera samma partikel på två olika sätt, vilket gör det möjligt för ingenjörer att skapa enheter som har olika svar baserat på den valda monteringsformationen. + Utforska vidare
