(Phys.org) - Forskare som försöker få små partiklar till användbara ordnade formationer har hittat en osannolik allierad:entropi, en tendens som allmänt beskrivs som "störning".

Datorsimuleringar av University of Michigan forskare och ingenjörer visar att fastigheten kan knuffa partiklar för att bilda organiserade strukturer. Genom att analysera partiklarnas former i förväg, de kan till och med förutsäga vilken typ av strukturer som kommer att bildas.

Resultaten, publicerad i veckans upplaga av Vetenskap , hjälpa till att lägga grundreglerna för att göra designmaterial med vilda förmågor, till exempel formskiftande skinn för att kamouflera ett fordon eller optimera dess aerodynamik.

Fysik och professor i kemiteknik Sharon Glotzer föreslår att sådana material kan utformas genom att arbeta bakåt från de önskade egenskaperna för att skapa en plan. Den designen kan sedan förverkligas med nanopartiklar - partiklar som är tusen gånger mindre än bredden på ett människohår som kan kombineras på sätt som vore omöjliga genom vanlig kemi ensam.

En av de stora utmaningarna är att övertala nanopartiklarna att skapa de avsedda strukturerna, men nya studier av Glotzers grupp och andra visade att vissa enkla partikelformer gör det spontant när partiklarna trängs ihop. Teamet undrade om andra partikelformer kunde göra detsamma.

"Vi studerade 145 olika former, och det gav oss mer data än någon någonsin har haft om dessa typer av potentiella kristallbildare, "Glotzer SAID." Med så mycket information, vi kunde börja se hur många strukturer som är möjliga från enbart partikelform, och leta efter trender. "

Med hjälp av datorkod skriven av kemiteknisk forskare Michael Engel, tillämpad fysik doktorand Pablo Damasceno körde tusentals virtuella experiment, utforska hur varje form betedde sig under olika nivåer av trängsel. Programmet kan hantera vilken polyhedral form som helst, som tärningar med valfritt antal sidor.

Överlåtna till sina egna enheter, drivande partiklar hittar arrangemangen med högst entropi. Det arrangemanget matchar tanken att entropi är en störning om partiklarna har tillräckligt med utrymme:de sprids, pekade i slumpmässiga riktningar. Men trångt trångt, partiklarna började bilda kristallstrukturer som atomer gör - trots att de inte kunde knyta bindningar. Dessa beställda kristaller måste vara högentropiarrangemangen, för.

Glotzer förklarar att detta egentligen inte är oordning som skapar ordning - entropi behöver sin bild uppdaterad. Istället, hon beskriver det som ett mått på möjligheter. Om du kunde stänga av gravitationen och tömma en påse full med tärningar i en burk, de flytande tärningarna skulle peka åt alla håll. Dock, om du fortsätter att lägga till tärningar, så småningom blir utrymmet så begränsat att tärningarna har fler alternativ för att anpassa ansikte mot ansikte. Samma sak händer med nanopartiklar, som är så små att de känner entropins inflytande starkare än gravitationens.

"Det handlar om alternativ. I det här fallet, beställda arrangemang ger flest möjligheter, de flesta alternativen. Det är kontraintuitivt, För att vara säker, "Sa Glotzer.

Simuleringsresultaten visade att nästan 70 procent av de testade formerna producerade kristallliknande strukturer under entropi ensam. Men chockern var hur komplicerade några av dessa strukturer var, med upp till 52 partiklar involverade i mönstret som upprepades genom kristallen.

"Det är en utomordentligt komplex kristallstruktur även för atomer att bilda, än mindre partiklar som inte kan bindas kemiskt, "Sa Glotzer.

Partikelformarna producerade tre kristalltyper:vanliga kristaller som salt, flytande kristaller som finns i vissa plattskärms-TV och plastkristaller där partiklar kan snurra på plats. Genom att analysera partikelns form och hur grupper av dem beter sig innan de kristalliseras, Damasceno sa att det är möjligt att förutsäga vilken typ av kristall partiklarna skulle göra.

"Partiklarnas geometri rymmer hemligheten för deras monteringsbeteende, " han sa.

Varför de andra 30 procenten aldrig bildade kristallstrukturer, kvar som störda glasögon, är ett mysterium.

"Dessa kanske fortfarande vill bilda kristaller men fastnade. Det som är snyggt är att för alla partiklar som fastnar, vi hade andra, fruktansvärt liknande former som bildar kristaller, "Sa Glotzer.

Förutom att ta reda på mer om hur man samlar nanopartiklar till strukturer, hennes team kommer också att försöka upptäcka varför vissa former motstår ordning.