I ricercatori della Cornell hanno utilizzato simulazioni al computer per mostrare come l'assemblaggio di tetraedri troncati di vertici è influenzato quando confinato all'interno di un contenitore sferico. I risultati offrono agli scienziati dei materiali un nuovo metodo per controllare la struttura dell'assieme e le caratteristiche del materiale risultante. Credito:Rachael Skye
Infilare più paia di scarpe in una valigia da vacanza, attorcigliarle e capovolgerle in diverse disposizioni per adattarle a ogni paio necessario, è un problema di ottimizzazione familiare affrontato dai viaggiatori incalliti. Questo stesso problema è ben noto agli ingegneri:quando viene assegnato un numero di oggetti con una forma particolare, come possono essere imballati in un contenitore? E quale schema formerà quell'imballaggio?
A differenza del contenuto di una valigia, il modo in cui le particelle microscopiche sono imballate insieme può essere utilizzato per progettare le caratteristiche dei materiali che formano; per esempio, come viaggiano la luce o l'elettricità. Gli scienziati dei materiali hanno studiato a lungo come l'assemblaggio di particelle in uno spazio ristretto possa essere utilizzato come strumento per conferire ai materiali nuove capacità, ma il modo in cui le particelle con forme uniche interagiscono con una barriera rimane poco compreso.
Un nuovo studio condotto da ricercatori del Dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali della Cornell University ha utilizzato simulazioni al computer per mostrare come l'assemblaggio di tetraedri troncati di vertici, una forma di particella che ha quattro facce esagonali e quattro facce triangolari, viene influenzato quando confinato all'interno di un contenitore sferico. I risultati, pubblicati sulla rivista Soft Matter , offrono agli scienziati dei materiali un nuovo metodo per controllare la struttura dell'assieme e le caratteristiche del materiale risultante.
Simulazioni di 10.000 particelle in contenitori sferici, (a–c) viste dall'esterno e (d–f) come sezioni trasversali. Sono evidenziate tre diverse forme:tetraedri platonici (a e d), tetraedri troncati che riempiono lo spazio (b ed e) e tetraedri troncati di Archimede (c e f). La colorazione corrisponde agli ambienti delle particelle locali:i blu rappresentano particelle che sono prevalentemente da vertice a vertice e le arance corrispondono prevalentemente da vertice a bordo. Le particelle bianche non sono classificate. Le simulazioni mostrano che un muro può modificare il comportamento delle particelle vicino ad esso, consentendo ai ricercatori di assemblare selettivamente diverse strutture. Credito:Rachael Skye
"Una volta i teorici eseguivano principalmente simulazioni con le sfere perché la maggior parte delle particelle è approssimativamente sferica, e dal punto di vista computazionale era più facile", ha detto Rachael Skye, studentessa di dottorato e prima autrice dello studio, "ma gli sperimentatori continuano a trovare modi entusiasmanti per controllano la forma e ora possono creare particelle colloidali come tetraedri, ottaedri o cubi. Con una potenza di calcolo avanzata, possiamo simulare queste forme, ma anche andare oltre e prevedere cosa potrebbero fare nuove particelle non ancora sintetizzate. "
Per aiutare a colmare il divario di conoscenza su come queste forme di particelle si assemblano in isolamento, Skye e l'autrice senior dello studio, Julia Dshemuchadse, assistente professore di scienza dei materiali e ingegneria, hanno simulato assemblaggi di particelle tetraedriche in contenitori sferici. Ciascuno conteneva un minimo di quattro particelle e fino a 10.000. In ogni simulazione, il contenitore si restringe il più possibile con il numero programmato di particelle al suo interno.
"Questa simulazione imita il modo in cui vengono prodotti alcuni materiali colloidali, con particelle poste all'interno di una goccia di liquido che si contrae mentre evapora", ha affermato Dshemuchadse.
Queste particelle possono combaciare in diversi modi, ma ci sono due motivi distinti:allineati, con facce esagonali adiacenti, o anti-allineate, con una faccia esagonale adiacente a una triangolare. Ogni motivo guida una struttura complessiva che si conforma ai bordi dei contenitori in modo diverso.
Un esempio di cluster colloidale da autoassemblaggio confinato in una goccia di emulsione acqua in olio, un progetto guidato dalla Friedrich-Alexander University Erlangen-Nürnberg. Le simulazioni Cornell potrebbero aiutare a controllare l'assemblaggio di futuri materiali colloidali. Credito:Wang, J., Mbah, CF, Przybilla, T. et al. Cluster colloidali a numero magico come strutture di energia libera minima. Comune Nazionale
"Se hai queste particelle anti-allineate, puoi formare strati piatti molto bene e impilare all'infinito, creando un cristallo davvero buono", ha detto Dshemuchadse, che ha aggiunto che questo motivo è preferito quando si simula un gran numero di particelle perché il contenitore più grande la dimensione ha una curvatura più piccola, "ma se hai le particelle allineate, la struttura può formare un motivo curvo che si adatta meglio a un guscio sferico. A un piccolo numero di particelle, il motivo allineato è preferito perché i contenitori più piccoli hanno grandi curvature". /P>
I risultati forniscono agli scienziati dei materiali un metodo per far crescere grandi cristalli in sistemi di particelle che in genere non si assemblano in strutture ordinate. Altri metodi per ottenere un cristallo ben ordinato coinvolgono tecniche come la "semina" del materiale con particelle vincolate in orientamenti specializzati che guidano la struttura corrispondente, ma tali metodi richiedono la fabbricazione di nuovi tipi di particelle, che sarebbero meno semplici in una realizzazione sperimentale di questi sistemi. Al contrario, la formazione di cristalli su un substrato piatto è spesso la norma e questo studio indica come questa tecnica possa avvantaggiare la struttura risultante.
"I cristalli colloidali tendono ad essere piccoli e pieni di difetti, ma per essere utili nella maggior parte delle applicazioni, devono essere abbastanza grandi e privi di difetti", ha detto Skye. "L'idea è che scegliendo correttamente il tuo contenitore o parete, puoi realizzare un cristallo molto più grande e di qualità migliore di quanto potresti altrimenti."
Skye ha aggiunto che in campi come la plasmonica e la fotonica, questa tecnica di assemblaggio può essere utilizzata per orientare la stessa particella in due modi diversi, consentendo agli ingegneri di creare dispositivi che hanno risposte diverse in base alla formazione di assemblaggio scelta. + Esplora ulteriormente
