Undersøgelse kaster nyt lys over materialesamling i indespærring

At proppe flere par sko ind i en feriekuffert, vride og vende dem i forskellige arrangementer, så de passer til hvert par, der er brug for, er et velkendt optimeringsproblem, som forhastede rejsende står over for. Det samme problem er velkendt for ingeniører - når de får et antal genstande med en bestemt form, hvordan kan de så pakkes ind i en beholder? Og hvilket mønster vil den pakning danne?

I modsætning til indholdet i en kuffert kan måden, hvorpå mikroskopiske partikler pakkes sammen, bruges til at konstruere egenskaberne ved de materialer, de danner; for eksempel hvordan lys eller elektricitet bevæger sig igennem. Materialeforskere har længe undersøgt, hvordan samling af partikler i et begrænset rum kan bruges som et værktøj til at give materialer nye evner, men hvordan partikler med unikke former interagerer med en barriere er stadig dårligt forstået.

En ny undersøgelse foretaget af forskere ved Cornell University's Department of Materials Science and Engineering brugte computersimuleringer til at vise, hvordan samlingen af ​​vertex-trunkerede tetraedre - en partikelform, der har fire sekskantede flader og fire trekantede flader - påvirkes, når de er indespærret inde i en sfærisk beholder. Resultaterne, offentliggjort i tidsskriftet Soft Matter , tilbyder materialeforskere en ny metode til at kontrollere samlingsstrukturen og egenskaberne af det resulterende materiale.

"Det plejede at være, at teoretikere primært ville lave simuleringer med sfærer, fordi de fleste partikler er nogenlunde sfæriske, og beregningsmæssigt var det nemmest," sagde Rachael Skye, doktorand og førsteforfatter af undersøgelsen, "men eksperimentelister bliver ved med at finde på spændende måder at styre formen, og nu kan de lave kolloide partikler som tetraedre, oktaedre eller terninger. Med avanceret computerkraft kan vi simulere disse former, men også gå længere og forudsige, hvad nye, endnu ikke-syntetiserede partikler kan gøre."

For at hjælpe med at udfylde videnshullet i, hvordan disse partikelformer samles i indespærring, simulerede Skye og undersøgelsens seniorforfatter, Julia Dshemuchadse, assisterende professor i materialevidenskab og teknik, tetraedriske partikelsamlinger i sfæriske beholdere. Hver indeholdt så få som fire partikler og så mange som 10.000. I hver simulering ville beholderen krympe så meget som muligt med det programmerede antal partikler inde i den.

"Denne simulering efterligner, hvordan nogle kolloide materialer produceres, med partikler placeret inde i en væskedråbe, som trækker sig sammen, når den fordamper," sagde Dshemuchadse.

Disse partikler kan passe sammen på en række måder, men der er to forskellige motiver:justeret, med sekskantede flader ved siden af, eller anti-justeret, med en sekskantet flade støder op til en trekantet. Hvert motiv driver en overordnet struktur, der tilpasser sig containernes grænser forskelligt.

"Hvis du har disse anti-justerede partikler, så kan du danne flade lag rigtig godt og stable uendeligt bredt, hvilket giver en rigtig god krystal," sagde Dshemuchadse, som tilføjede, at dette motiv er favoriseret, når man simulerer et stort antal partikler, fordi den større beholder størrelse har mindre krumning, "men hvis du har partiklerne justeret, kan strukturen danne et buet motiv, der passer bedre ind i en sfærisk skal. Ved små antal partikler foretrækkes det justerede motiv, fordi de mindre beholdere har store krumninger."

Resultaterne giver materialeforskere en metode til at dyrke store krystaller i systemer af partikler, der typisk ikke samles til ordnede strukturer. Andre metoder til at opnå en velordnet krystal involverer teknikker såsom "såning" af materialet med partikler begrænset i specialiserede orienteringer, der driver den tilsvarende struktur, men sådanne metoder kræver fremstilling af nye typer partikler, hvilket ville være mindre ligetil i en eksperimentel realisering af disse systemer. I modsætning hertil er dannelse af krystaller på et fladt underlag ofte normen, og denne undersøgelse peger på, hvordan denne teknik kan gavne den resulterende struktur.

"Kolloide krystaller er tilbøjelige til at være små og fulde af defekter, men for at de kan være nyttige i de fleste applikationer, skal de være ret store og fejlfrie," sagde Skye. "Ideen er, at ved at vælge din beholder eller væg korrekt, kan du lave en krystal, der er meget større og af bedre kvalitet, end du ellers kunne."

Skye tilføjede, at inden for områder som plasmonik og fotonik kan denne samlingsteknik bruges til at orientere den samme partikel på to forskellige måder, hvilket gør det muligt for ingeniører at skabe enheder, der har forskellige reaktioner baseret på den valgte samlingsformation. + Udforsk yderligere

Bottom-up-konstruktion med et 2D-twist kunne give nye materialer