En ny modell utvecklad av forskare från Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization (MPI-DS) utökar teorin om elastisk fasseparation mot nanoskopiska strukturer. Sådana mönster är vanliga i biologiska system och används också i nanoteknik för att skapa strukturell färg. Med sina nya insikter kan forskarna förutsäga längdskalan av nanoskopiska mönster och på så sätt kontrollera dem under produktionen. Modellen publiceras i tidskriften Physical Review X .
Väldefinierade strukturella mönster finns överallt i biologiska system. Ett välkänt exempel är färgningen av fågelfjädrar och fjärilsvingar, som är beroende av det regelbundna arrangemanget av nanoskopiska strukturer, känd som strukturell färg. Sådana mönster bildas ofta genom fasseparation.
Olika komponenter separeras från varandra, på samma sätt som olja separeras från vatten. Det är dock fortfarande oklart hur naturen skapar väldefinierade mönster som leder till sådana färger. Generellt sett är det en vanlig utmaning att tillverka syntetiska material på denna submikronskala.
Ett sätt att kontrollera strukturer gjorda genom fasseparation bygger på elasticitet:Deformationer av material är väl beskrivna av elasticitetsteorin på makroskopiska skalor, till exempel för att förklara hur en bit gummi deformeras under inverkan av kraft. Men i en nanoskopisk skala är materialen inte längre homogena och den makroskopiska beskrivningen av materialet är otillräcklig.
Istället spelar själva arrangemanget av molekyler roll. Dessutom kräver deformering av något material energi, vilket därmed hindrar stora deformationer. Enskilda droppar som bildas genom fasseparation kan alltså inte växa i det oändliga. Beroende på deras arrangemang kan ett regelbundet mönster uppstå.
Forskare ledda av David Zwicker, chef för Max Planck Research Group "Theory of Biological Fluids" vid MPI-DS, har nu utvecklat en modell för att ta itu med denna aspekt. De föreslog en teori baserad på icke-lokal elasticitet för att förutsäga mönsterbildning genom fasseparation.
"Med vår nya modell kan vi nu ta hänsyn till den relevanta ytterligare aspekten för att beskriva systemet", säger Zwicker. "Att modellera alla molekylära komponenter i atomär detalj skulle överstiga beräkningskraften. Istället utökade vi den befintliga teorin mot mindre strukturer jämförbara med maskstorleken", förklarar han.
Den nya teorin förutspår hur materialegenskaper påverkar det bildade mönstret. Det kan således hjälpa ingenjörer att skapa specifika nanoskopiska strukturer, efter fysiska principer för självorganisering som naturen utnyttjar.
Mer information: Yicheng Qiang et al, Nonlocal Elasticity Yields Equilibrium Patterns in Phase Separation Systems, Physical Review X (2024). DOI:10.1103/PhysRevX.14.021009
Journalinformation: Fysisk granskning X
Tillhandahålls av Max Planck Society
