Nanopartiklar i en prisma omloppsform. Densiteten hos pseudopartiklarna runt nanopartikelformer liknar elektrontätheten i atomernas elektronorbitaler. Kredit:Thi Vo, Glotzer Group, University of Michigan
Entropi, en fysisk egenskap som ofta förklaras som "störning", avslöjas som en skapare av ordning med en ny bindningsteori utvecklad vid University of Michigan och publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences .
Ingenjörer drömmer om att använda nanopartiklar för att bygga designermaterial, och den nya teorin kan hjälpa till att vägleda ansträngningar för att få nanopartiklar att monteras till användbara strukturer. Teorin förklarar tidigare resultat som utforskar bildandet av kristallstrukturer av rymdbegränsade nanopartiklar, vilket gör att entropi kan kvantifieras och utnyttjas i framtida ansträngningar.
Och konstigt nog speglar uppsättningen av ekvationer som styr nanopartikelinteraktioner på grund av entropi de som beskriver kemisk bindning. Sharon Glotzer, Anthony C. Lembkes ordförande för kemiteknik, och Thi Vo, en postdoktor i kemiteknik, svarade på några frågor om sin nya teori.
Vad är entropisk bindning?
Glotzer:"Entropisk bindning är ett sätt att förklara hur nanopartiklar interagerar för att bilda kristallstrukturer. Det är analogt med de kemiska bindningar som bildas av atomer. Men till skillnad från atomer finns det inte elektroninteraktioner som håller ihop dessa nanopartiklar. Istället uppstår attraktionen pga. entropi."
"Ofta är entropi förknippad med oordning, men det handlar egentligen om alternativ. När nanopartiklar trängs ihop och alternativen är begränsade visar det sig att det mest troliga arrangemanget av nanopartiklar kan vara en viss kristallstruktur. Den strukturen ger systemet flest alternativ. , och därmed den högsta entropin. Stora entropiska krafter uppstår när partiklarna kommer nära varandra."
"Genom att göra de mest omfattande studierna av partikelformer och kristallerna de bildar, fann min grupp att när du ändrar formen, ändrar du riktningen för de entropiska krafterna som styr bildandet av dessa kristallstrukturer. Den riktningen simulerar en bindning, och eftersom det drivs av entropi, kallar vi det entropisk bindning."
Nanopartiklar i form av en dodekaeder. Detta nya sätt att förstå hur entropi skapar attraktiva krafter mellan nanopartiklar kan påskynda utvecklingen av nanomaterial med designade egenskaper. Kredit:Thi Vo, Glotzer Group, University of Michigan
Varför är detta viktigt?
Glotzer:"Entropys bidrag till att skapa ordning förbises ofta när man designar nanopartiklar för självmontering, men det är ett misstag. Om entropin hjälper ditt system att organisera sig behöver du kanske inte konstruera explicit attraktion mellan partiklar - till exempel genom att använda DNA eller andra klibbiga molekyler – med en så stark interaktion som du trodde. Med vår nya teori kan vi beräkna styrkan hos dessa entropiska bindningar."
"Medan vi har vetat att entropiska interaktioner kan vara riktade som bindningar, är vårt genombrott att vi kan beskriva dessa bindningar med en teori som linje-för-linje matchar teorin som du skulle skriva ner för elektroninteraktioner i faktiska kemiska bindningar. Det är djupgående. Jag är förvånad över att det ens är möjligt att göra det. Matematiskt sett sätter det kemiska bindningar och entropiska bindningar på samma fot. Detta är både fundamentalt viktigt för vår förståelse av materia och praktiskt viktigt för att göra nya material."
Elektroner är dock nyckeln till dessa kemiska ekvationer. Hur gjorde du detta när inga partiklar förmedlar interaktionerna mellan dina nanopartiklar?
Glotzer:"Entropi är relaterat till det fria utrymmet i systemet, men i flera år visste jag inte hur jag skulle räkna det utrymmet. Den stora insikten var att vi kunde räkna det utrymmet med fiktiva punktpartiklar. Och det gav oss den matematiska analogen av elektronerna."
Vo:"Pseudopartiklarna rör sig runt systemet och fyller i de utrymmen som är svåra för en annan nanopartikel att fylla – vi kallar detta den uteslutna volymen runt varje nanopartikel. När nanopartiklarna blir mer ordnade, blir den uteslutna volymen runt dem mindre, och koncentrationen av pseudopartiklar i dessa regioner ökar. De entropiska bindningarna är där den koncentrationen är högst."
"I trånga förhållanden uppvägs entropin som förloras genom att öka ordningen av entropin som uppnås genom att krympa den uteslutna volymen. Som ett resultat kommer konfigurationen med den högsta entropin att vara den där pseudopartiklar upptar minst utrymme." + Utforska vidare
