Fig. 2 Struktur och PMFT-isoytor för optimala former i sex målstrukturer:β-Mn, BCC, FCC, β-W, SC, och diamant.(A till F) Strukturell koordination (globalt:BCC, FCC, SC, diamant; lokalt:β-Mn, β-W) och PMFT-isoytor vid fria energivärden på 1,4 kBT (ljusgrå) och 0,7 kBT (rosa) över minimivärdet för en optimal men osymmetriserad konvex polyeder (överst) och för en optimal symmetribegränsad polyeder (botten). PMFT-isoytor indikerar att uppkomsten av partikelfacettering överensstämmer med entropisk valens lokaliserad vid partikelfacetter som företrädesvis är i linje längs kristallgittrets riktningar. PMFT-isoytor för symmetribegränsade polyedrar behåller valens-gitterkorrespondens.Science Advances 05 Jul 2019:Vol. 5, Nej. 7, eaaw0514DOI:10.1126/sciadv.aaw0514
I arbete som upphäver materialdesign, Forskare har med datorsimuleringar visat att de kan designa en kristall och arbeta bakåt till partikelformen som kommer att självmontera för att skapa den.
Det kan leda till en ny klass av material, som kristallbeläggningar som ger färger som aldrig bleknar.
"Dessa resultat förvandlar materialdesign och vår förståelse av entropi på sina huvuden, sa Sharon Glotzer, Anthony C. Lembkes ordförande för kemiteknik vid University of Michigan och senior författare på tidningen i Vetenskapens framsteg .
Material med helt nya egenskaper måste vanligtvis upptäckas av en slump. Till exempel, det krävdes ett lekfullt experiment med cellofantejp och en grafitklump för att upptäcka grafen 2004 – nu ett Nobelvinnande underverk för sin kombination av styrka, flexibilitet, transparens och konduktivitet.
Istället för att vänta på serendipity, materialforskare skulle vilja drömma om ett undermaterial och sedan komma på hur man gör det. Det är detta "omvända" tillvägagångssätt för att designa material - att arbeta bakåt från de önskade egenskaperna - som teamet kallar "digital alkemi."
"Det låter oss verkligen fokusera på resultatet och utnyttja det vi vet för att hitta en utgångspunkt för att bygga det materialet, sa Greg van Anders, en motsvarande författare på tidningen och en biträdande professor i fysik vid Queen's University i Kingston, Ontario. Forskningen gjordes medan han var på UM tidigare.
Glotzer är ledande när det gäller att studera hur nanopartiklar självmonterar sig genom entropins överraskande mekanism. Medan entropi vanligtvis betraktas som ett mått på störning, Glotzers team utnyttjar det för att skapa ordnade kristaller från partiklar. De kan göra detta eftersom entropi egentligen inte är störning, men hellre, det är ett mått på hur fritt systemet är. Om partiklarna hade mycket utrymme, de skulle fördelas över det och orienteras slumpmässigt – samlingen av partiklar har mest frihet när de individuella partiklarna har mest frihet.
Men i de system som Glotzer fokuserar på, partiklarna har inte mycket utrymme. Om de är slumpmässigt orienterade, de flesta av dem kommer att fångas. Systemet av partiklar är mest fritt om partiklarna organiserar sig i en kristallstruktur. Fysiken kräver detta, och partiklarna lyder.
Beroende på partikelformer, Glotzers team och andra har visat hur du kan få en mängd intressanta kristaller - några liknar saltkristaller eller atomgitter i metaller, och några uppenbarligen nya (som "kvasikristaller, " som inte har något upprepat mönster). Tidigare, de har gjort detta på det vanliga sättet genom att välja en partikelform och simulera kristallen den skulle göra. De tillbringade åratal med att upptäcka designreglerna som gör det möjligt för partiklar av vissa former att bygga vissa kristaller.
Nu, de har vänt det så att de kan koppla in en kristallstruktur i sitt nya program, och det ger dem en partikelform som kommer att bygga den. Genom att omformulera frågan från "Vilken kristall kommer denna form att göra?" till "Kommer den här formen att göra min kristall?"—teamet utforskade mer än 100 miljoner olika former i studien.
"På en enda dag, på en vanlig dator, vi kunde studera fler olika typer av partiklar än vad som har rapporterats under det senaste decenniet, sa van Anders.
De använde programvaran för att identifiera partikelformer för att bygga fyra vanliga kristallgitter (enkla kubiska, kroppscentrerad kubik, ansiktscentrerad kubik och diamant) och två mer komplexa gitter (beta-mangan och beta-volfram). När dessa löste sig, de provade ett galler som inte är känt i naturen, en av deras egna design - en variant av kristallen känd som "hexagonal close packed."
Teamet förutser att experimentella nanoforskare kommer att kunna göra dessa kristaller genom att producera en sats av partiklar i rätt form och lägga till dem i en vätska. I vätskan, nanopartiklarna kommer att montera sig själva. Så länge de förblir instängda, de kommer att behålla sin struktur.
Detta kan leda till framsteg inom mänskligt skapad strukturell färg, liknar hur fjärilsvingar producerar sina lysande nyanser genom interaktioner med ljus. Till skillnad från pigment, strukturell färg bleknar inte. Färgen kan också slås på och av med en mekanism för att antingen begränsa partiklarna så att de bildar kristallen eller ge dem utrymme så att kristallen faller isär.
Denna forskning rapporteras i Vetenskapens framsteg i ett papper med titeln "Engineering entropy for the inverse design of colloidal kristals from hard forms."