Regler for tæt pakning er muligvis ikke vejledende for selvsamling af nanopartikler

Tredimensionelle former fylder det fysiske rum på en bestemt måde. Hvis du hælder kugler i en krukke, kuglerne vil pakkes tilfældigt i krukken. Hvis du omhyggeligt placerede hver marmor, lag for lag i krukken, så kuglerne i ét lag sidder i sprækkerne mellem kuglerne på laget under det, du kan pakke et par flere kugler i glasset, end hvis det var tilfældigt pakket. Dette vil give dig den højeste tæthed pakning, eller den mindste mængde mellemrum mellem partikler.

Linus Pauling anvendte denne idé om pakningstæthed på ioner, og foreslog, at pakningsprincipper fører til dannelsen af ​​krystalstrukturer. Naturen kan ikke lide det tomme rum, så partikler bør pakkes i den højeste tæthed eller tætpakket formation. Inden for materialevidenskab, kolloide krystaller og nanopartikel-supergitter dannes via selvsamling af små partikler, hvor partiklerne danner en termodynamisk stabil struktur. De strukturer, nanopartikler danner, er meget ofte dem, der findes i konventionelle metaller:ansigtscentreret kubisk, simpel kubisk, og kropscentreret kubisk.

Teorien er, at pakningsprincipper styrer selvsamlingen af ​​kolloide krystaller. Imidlertid, forskere fra University of Michigan har vist, at bestillingsmekanismen for kolloide krystaller ikke gør det årsag partikler til selv at samle. I stedet er krystalsamling og pakning korreleret, ikke kausal. Desuden, de viser, at pakningsprincipper måske ikke er det bedste forudsigelsesværktøj til kolloid krystalform. Deres arbejde vises i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Ved selvmontering, der dannes en termodynamisk stabil struktur. Denne struktur minimerer fri energi. For kolloider, dette sker ofte, når entropien er på et maksimum. Imidlertid, når man studerer de mekanismer, der styrer selvsamling, forskere ser på, hvad der sker under ekstreme forhold. Ved meget høje tryk, i stedet for at maksimere entropi, hårde partikler vil maksimere densiteten.

For at undersøge det grundlæggende spørgsmål om, hvorvidt pakningsprincipper styrer selvmontering, Cersonsky, et al. brugte modelleringsmetoder til at sammenligne tre forskellige densitetsbegreber. Den første er selvsamlingstætheden, hvilket er den laveste tæthed, hvor selvsamling observeres. Den anden er pakningsbegyndende tæthed. Som navnet antyder, dette er den laveste tæthed, hvor pakningsadfærd observeres. Det tredje led er den tilfældige tætte pakningstæthed, som er den maksimale tæthed, som systemet kan findes i en uordnet tilstand.

Når man ser på matematiske modeller ved meget høje tryk (dvs. uendeligt tryk), der bør være en grænse, ved hvilken partikler skal pakkes. Forfatterne testede for denne grænse ved at bruge Maxwell-relationer til at definere pakningsbegyndende tæthed. Hvis selvsamlingstætheden viser sig at være tilnærmelsesvis lig med pakningsstartdensiteten, så er pakning sandsynligvis vejledende for selvmontering. Imidlertid, hvis selvmonteringstætheden er mindre end pakningsdensiteten, så styrer noget andet end pakkeregler selvmontering. Desuden, pakningstæthed sammenlignes med den tilfældige tæt-pakningstæthed.

Cersonsky et al. fandt, at i alle polyedriske systemer, som de studerede (FCC, SC, og BCC) var pakningstætheden større end den tilfældige tætpakningstæthed, hvilket var større end den minimale tæthed til selvmontering. Dette resultat viser, at spontan bestilling ikke opstår på grund af en pakningsmekanisme, og at disse systemer ikke kan bestilles ved pakning. Med andre ord, Pakningsregler er ikke nødvendigvis forudsigelige for de ideelle former til selvmontering, selvom den tætte pakningsstruktur er den mest termodynamisk stabile struktur.

Dette papir så på nanopartikler, der ikke var begrænset. Ifølge Greg van Anders, adjunkt i fysik og medforfatter til papiret, "Vi forventede, at vi ville finde ud af, at kolloider ville bestilles ved at pakke. I stedet, vi fandt ud af, at de ikke gør. Dette er især overraskende, fordi partikler ikke pakker sig, selv når de strukturer, de danner, er såkaldte 'tætpakkede' strukturer."

Normalt inden for materialevidenskab, pakningsregler bruges til at forudsige den optimale form for en nanostruktur, men givet disse resultater, spørgsmålet bliver, om og når, pakningsregler kan bruges til at forudsige den termodynamisk optimale form til selvmontering.

Der er stadig en vis sammenhæng mellem pakningsform og optimal partikelform, og derfor, pakkeform kan være nyttig til at vejlede forudsigelser, men ideelle pakningsformer bør ikke være målet ved samling af nanostrukturer. Dr. van Anders påpeger, at dette faktisk er gode nyheder for folk, der forsøger at syntetisere polyedriske nanopartikler, der selv samles til nanostrukturer:

"Efter at vi fandt ud af, at mekanismen, der driver dannelsen af ​​strukturen, ikke pakker, vi indså, at dette kunne betyde, at perfekt formede partikler, som pakker tættest, men kan være teknisk udfordrende og dyrt at lave, er måske ikke den ideelle form til målstrukturer."

© 2018 Phys.org