L'entropia, una proprietà fisica spesso spiegata come "disordine", si rivela creatrice dell'ordine con una nuova teoria del legame sviluppata all'Università del Michigan e pubblicata negli Proceedings of the National Academy of Sciences .

Gli ingegneri sognano di utilizzare le nanoparticelle per costruire materiali di design e la nuova teoria può aiutare a guidare gli sforzi per far assemblare le nanoparticelle in strutture utili. La teoria spiega i risultati precedenti che esplorano la formazione di strutture cristalline da parte di nanoparticelle limitate nello spazio, consentendo di quantificare e sfruttare l'entropia negli sforzi futuri.

E curiosamente, l'insieme di equazioni che governano le interazioni delle nanoparticelle dovute all'entropia rispecchiano quelle che descrivono il legame chimico. Sharon Glotzer, presidente del dipartimento di ingegneria chimica Anthony C. Lembke, e Thi Vo, ricercatore post-dottorato in ingegneria chimica, hanno risposto ad alcune domande sulla loro nuova teoria.

Cos'è il legame entropico?

Glotzer:"Il legame entropico è un modo per spiegare come le nanoparticelle interagiscono per formare strutture cristalline. È analogo ai legami chimici formati dagli atomi. Ma a differenza degli atomi, non ci sono interazioni di elettroni che tengono insieme queste nanoparticelle. Invece, l'attrazione sorge a causa di entropia."

"Spesso, l'entropia è associata al disordine, ma in realtà si tratta di opzioni. Quando le nanoparticelle sono ammassate insieme e le opzioni sono limitate, si scopre che la disposizione più probabile delle nanoparticelle può essere una particolare struttura cristallina. Quella struttura offre al sistema la maggior parte delle opzioni , e quindi la più alta entropia. Grandi forze entropiche sorgono quando le particelle si avvicinano l'una all'altra."

"Facendo gli studi più approfonditi sulle forme delle particelle e sui cristalli che formano, il mio gruppo ha scoperto che quando si cambia la forma, si cambia la direzionalità di quelle forze entropiche che guidano la formazione di queste strutture cristalline. Quella direzionalità simula un legame e poiché è guidato dall'entropia, lo chiamiamo legame entropico."

Perché è importante?

Glotzer:"Il contributo di Entropia alla creazione dell'ordine viene spesso trascurato quando si progettano nanoparticelle per l'autoassemblaggio, ma è un errore. Se l'entropia aiuta il sistema a organizzarsi, potrebbe non essere necessario progettare un'attrazione esplicita tra le particelle, ad esempio usando il DNA o altre molecole appiccicose, con un'interazione forte come pensavi. Con la nostra nuova teoria, possiamo calcolare la forza di quei legami entropici."

"Anche se sappiamo che le interazioni entropiche possono essere direzionali come i legami, la nostra svolta è che possiamo descrivere quei legami con una teoria che linea per linea corrisponde alla teoria che scriveresti per le interazioni di elettroni nei legami chimici reali. Questo è profondo. Sono stupito che sia persino possibile farlo. Matematicamente parlando, mette sullo stesso piano legami chimici e legami entropici. Questo è sia fondamentale per la nostra comprensione della materia che praticamente importante per creare nuovi materiali. "

Tuttavia, gli elettroni sono la chiave di queste equazioni chimiche. Come hai fatto quando nessuna particella media le interazioni tra le tue nanoparticelle?

Glotzer:"L'entropia è correlata allo spazio libero nel sistema, ma per anni non sapevo come contare quello spazio. Questa è stata la grande intuizione che potevamo contare quello spazio usando particelle puntiformi fittizie. E questo ci ha dato l'analogo matematico degli elettroni."

Vo:"Le pseudoparticelle si muovono intorno al sistema e riempiono gli spazi che sono difficili da riempire per un'altra nanoparticella:lo chiamiamo il volume escluso attorno a ciascuna nanoparticella. Man mano che le nanoparticelle diventano più ordinate, il volume escluso attorno a loro diventa più piccolo e il la concentrazione di pseudoparticelle in quelle regioni aumenta. I legami entropici sono dove la concentrazione è più alta."

"In condizioni di affollamento, l'entropia persa aumentando l'ordine è superata dall'entropia ottenuta riducendo il volume escluso. Di conseguenza, la configurazione con l'entropia più alta sarà quella in cui le pseudoparticelle occupano lo spazio minimo". + Esplora ulteriormente

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