Mikroskopiskt små partiklar kan spontant självmonteras till komplexa skiktade strukturer med anmärkningsvärda egenskaper, enligt beräkningar utförda vid TU Wien.

Det finns många sätt att skapa nya, innovativa material. En av de mest intressanta är en process där små partiklar självmonteras för att bilda komplexa strukturer. Denna process, kallad "självorganisation, "öppnar upp för anmärkningsvärda möjligheter som nu har visats genom datasimuleringar som utförts på TU Wien. Enkla makromolekyler kan bilda skiktade system som samtidigt kan vara fasta och flytande inom ett brett temperaturintervall.

Avstötande och attraktiva laddningar

"Grundkonceptet är ett som utnyttjas brett i naturen, "förklarar professor Gerhard Kahl vid Institutet för teoretisk fysik vid TU Wien." Virus och bakterier uppvisar ofta ytladdningar. Det betyder att de antingen lockar eller stöter bort varandra, beroende på vilken typ av laddning de bär. Som ett resultat, selektiv bindning kan ske mellan dessa enheter, så att de kan sätta ihop sig till intressanta, funktionella strukturer. "

En liknande process är också möjlig med konstgjorda partiklar-t.ex. små (kolloidala) sfärer till vilka en positiv elektrisk laddning appliceras på två motsatta ytområden. Om omgivningsförhållandena är lämpliga, sådana partiklar kan självmonteras för att bilda ett tvådimensionellt lager. Partiklarna blir sedan tätt packade, bildar ett sexkantigt mönster, med partiklarnas laddade ytområden inriktade så att de bildar starka attraktiva bindningar. Detta bindningsmönster gör lagret extremt stabilt.

Som Emanuela Bianchi och Silvano Ferrari från Gerhard Kahls arbetsgrupp har visat, detta gör att ett intressant fenomen kan uppstå, nämligen att flera sådana lager sedan kan gå samman samtidigt. Ytterligare partiklar kan då inta positioner mellan skikten, upprätta starka bindningar mellan dessa lager. Dessa bindande partiklar fixerar skikten på plats, vilket betyder att de inte längre kan skifta i förhållande till varandra; alltså en stabil, flerskiktad struktur bildas helt autonomt genom självorganisation av slumpmässiga partiklar som råkar passera.

Både fast och flytande:mini chokladplattan

De speciella egenskaperna hos dessa strukturer blir uppenbara när temperaturen höjs:"Bindningarna i de enskilda skikten är mycket starkare än bindningarna mellan skikten, "förklarar Gerhard Kahl." Om temperaturen höjs, det är de svagare bindningarna mellan skikten som först bryts; partiklarna kan sedan röra sig fritt som en vätska medan lagren själva förblir stabila. "Denna effekt liknar en chokladplatta i sommarvärmen, med flytande choklad inklämd mellan fast, stabila skivor. "Detta är ett anmärkningsvärt fenomen. Vi har att göra med ett unikt material som består av endast en typ av partiklar, ändå kan bilda en struktur som omfattar både fasta och flytande lager samtidigt. "

Detta scenario kan observeras över ett brett temperaturintervall; det är först när temperaturen är så hög att även de stabila bindningarna inom de enskilda skikten bryts som strukturen faller sönder och smälter helt. Tills dess, systemet visar en enastående förmåga att självläka:även om den är skadad, det repareras snart automatiskt av slumpmässigt passande partiklar.

Experiment har redan börjat testa den potentiella användningen av dessa nya idéer. Det finns många möjliga användningsområden för sådana strukturer. "Sådana strukturer skulle göra det möjligt för oss att exakt styra transporten av partiklar via subtila temperaturförändringar, "säger Gerhard Kahl. Detta kan användas i medicin, till exempel, för att transportera medicin till exakt rätt plats i kroppen.