(Phys.org) -- I ricercatori che cercano di raggruppare minuscole particelle in formazioni ordinate utili hanno trovato un improbabile alleato:l'entropia, una tendenza generalmente descritta come "disordine".

Le simulazioni al computer degli scienziati e degli ingegneri dell'Università del Michigan mostrano che la proprietà può spingere le particelle per formare strutture organizzate. Analizzando preventivamente le forme delle particelle, possono persino prevedere che tipo di strutture si formeranno.

Le scoperte, pubblicato nell'edizione di questa settimana di Scienza , aiutano a gettare le basi per realizzare materiali di design con capacità selvagge come le pelli mutaforma per mimetizzare un veicolo o ottimizzarne l'aerodinamica.

Il fisico e professore di ingegneria chimica Sharon Glotzer propone che tali materiali potrebbero essere progettati lavorando a ritroso dalle proprietà desiderate per generare un progetto. Quel progetto può quindi essere realizzato con nanoparticelle, particelle mille volte più piccole della larghezza di un capello umano che possono combinarsi in modi che sarebbero impossibili con la sola chimica ordinaria.

Una delle sfide principali è persuadere le nanoparticelle a creare le strutture previste, ma studi recenti del gruppo di Glotzer e di altri hanno mostrato che alcune semplici forme di particelle lo fanno spontaneamente quando le particelle sono ammassate insieme. Il team si è chiesto se altre forme di particelle potessero fare lo stesso.

"Abbiamo studiato 145 forme diverse, e questo ci ha fornito più dati di quanti chiunque abbia mai avuto su questi tipi di potenziali formatori di cristalli, "Glotzer HA DETTO. "Con così tante informazioni, potremmo iniziare a vedere quante strutture sono possibili solo dalla forma delle particelle, e cercare le tendenze."

Usando il codice del computer scritto dal ricercatore di ingegneria chimica Michael Engel, lo studente laureato in fisica applicata Pablo Damasceno ha eseguito migliaia di esperimenti virtuali, esplorando come ciascuna forma si è comportata sotto diversi livelli di affollamento. Il programma può gestire qualsiasi forma poliedrica, come i dadi con qualsiasi numero di lati.

Lasciati a se stessi, le particelle alla deriva trovano le disposizioni con la più alta entropia. Questa disposizione corrisponde all'idea che l'entropia è un disordine se le particelle hanno spazio sufficiente:si disperdono, puntato in direzioni casuali. Ma affollato strettamente, le particelle iniziarono a formare strutture cristalline come fanno gli atomi, anche se non potevano creare legami. Questi cristalli ordinati dovevano essere gli arrangiamenti ad alta entropia, pure.

Glotzer spiega che questo non è davvero disordine che crea ordine:l'entropia ha bisogno che la sua immagine venga aggiornata. Anziché, lei lo descrive come una misura delle possibilità. Se potessi disattivare la gravità e svuotare un sacchetto pieno di dadi in un barattolo, i dadi galleggianti punterebbero in ogni direzione. Però, se continui ad aggiungere dadi, alla fine lo spazio diventa così limitato che i dadi hanno più opzioni per allinearsi faccia a faccia. La stessa cosa accade alle nanoparticelle, che sono così piccoli che sentono l'influenza dell'entropia più forte di quella della gravità.

"Si tratta di opzioni. In questo caso, disposizioni ordinate producono il maggior numero di possibilità, la maggior parte delle opzioni. è controintuitivo, per essere sicuro, " ha detto Glotzer.

I risultati della simulazione hanno mostrato che quasi il 70% delle forme testate ha prodotto strutture simili a cristalli solo con l'entropia. Ma lo shock è stato quanto fossero complicate alcune di queste strutture, con fino a 52 particelle coinvolte nel pattern che si ripeteva in tutto il cristallo.

"Questa è una struttura cristallina straordinariamente complessa anche per la formazione degli atomi, per non parlare delle particelle che non possono legarsi chimicamente, " ha detto Glotzer.

Le forme delle particelle hanno prodotto tre tipi di cristalli:cristalli regolari come il sale, cristalli liquidi come si trovano in alcuni televisori a schermo piatto e cristalli di plastica in cui le particelle possono ruotare sul posto. Analizzando la forma della particella e come si comportano i gruppi di esse prima che si cristallizzino, Damasceno ha detto che è possibile prevedere quale tipo di cristallo farebbero le particelle.

"La geometria delle particelle stesse custodisce il segreto del loro comportamento di assemblaggio, " Egli ha detto.

Perché l'altro 30 percento non ha mai formato strutture cristalline, rimanendo come bicchieri disordinati, è un mistero.

"Questi potrebbero ancora voler formare dei cristalli, ma si sono bloccati. La cosa bella è che per ogni particella che rimane bloccata, ne avevamo altri, forme terribilmente simili che formano cristalli, " ha detto Glotzer.

Oltre a scoprire di più su come indurre le nanoparticelle nelle strutture, il suo team cercherà anche di scoprire perché alcune forme resistono all'ordine.