Designer materialer:Entropi kan føre til ordre, baner ruten til nanostrukturer

(Phys.org) - Forskere, der forsøger at samle små partikler i nyttige ordnede formationer, har fundet en usandsynlig allieret:entropi, en tendens generelt beskrevet som "lidelse".

Computersimuleringer fra University of Michigan forskere og ingeniører viser, at ejendommen kan skubbe partikler til dannelse af organiserede strukturer. Ved at analysere partiklernes former på forhånd, de kan endda forudsige, hvilken slags strukturer der vil dannes.

Fundene, udgivet i denne uges udgave af Videnskab , hjælpe med at lægge grundreglerne for fremstilling af designermaterialer med vilde egenskaber, såsom formskiftende skind til at camouflere et køretøj eller optimere dets aerodynamik.

Fysiker og kemiteknisk professor Sharon Glotzer foreslår, at sådanne materialer kan designes ved at arbejde baglæns fra de ønskede egenskaber for at generere en plan. Dette design kan derefter realiseres med nanopartikler - partikler tusind gange mindre end bredden af ​​et menneskehår, der kan kombineres på måder, der ville være umulige gennem almindelig kemi alene.

En af de største udfordringer er at overtale nanopartiklerne til at skabe de påtænkte strukturer, men nylige undersøgelser af Glotzers gruppe og andre viste, at nogle simple partikelformer gør det spontant, når partiklerne er overfyldt. Teamet spekulerede på, om andre partikelformer kunne gøre det samme.

"Vi studerede 145 forskellige former, og det gav os flere data, end nogen nogensinde har haft om disse typer potentielle krystalformere, "Glotzer sagde." Med så mange oplysninger, vi kunne begynde at se, hvor mange strukturer der er mulige ud fra partikelform alene, og se efter tendenser. "

Ved hjælp af computerkode skrevet af kemiteknisk forsker Michael Engel, kandidatstuderende i anvendt fysik Pablo Damasceno kørte tusinder af virtuelle eksperimenter, undersøge, hvordan hver form opførte sig under forskellige trængselsniveauer. Programmet kunne håndtere enhver polyhedral form, såsom terninger med et vilkårligt antal sider.

Overladt til sig selv, drivende partikler finder arrangementerne med den højeste entropi. Dette arrangement matcher tanken om, at entropi er en lidelse, hvis partiklerne har nok plads:de spredes, peget i tilfældige retninger. Men tæt trængt, partiklerne begyndte at danne krystalstrukturer som atomer gør - selvom de ikke kunne oprette bindinger. Disse ordnede krystaller skulle være højentropi-arrangementerne, også.

Glotzer forklarer, at dette ikke rigtigt er uorden, der skaber orden - entropi har brug for sit billede opdateret. I stedet, hun beskriver det som et mål for muligheder. Hvis du kunne slukke tyngdekraften og tømme en pose fuld med terninger i en krukke, de flydende terninger ville pege alle veje. Imidlertid, hvis du bliver ved med at tilføje terninger, til sidst bliver pladsen så begrænset, at terningerne har flere muligheder for at justere ansigt til ansigt. Det samme sker med nanopartiklerne, som er så små, at de føler entropiens indflydelse stærkere end tyngdekraftens.

"Det handler om muligheder. I dette tilfælde, bestilte arrangementer giver flest muligheder, de fleste muligheder. Det er kontraintuitivt, at være sikker, "Sagde Glotzer.

Simuleringsresultaterne viste, at næsten 70 procent af de testede former producerede krystallignende strukturer alene under entropi. Men chokeren var, hvor komplicerede nogle af disse strukturer var, med op til 52 partikler involveret i det mønster, der gentog sig gennem krystallen.

"Det er en ekstraordinært kompleks krystalstruktur, selv for atomer kan dannes, endsige partikler, der ikke kemisk kan bindes, "Sagde Glotzer.

Partikelformene producerede tre krystalltyper:almindelige krystaller som salt, flydende krystaller som fundet i nogle fladskærms-tv og plastkrystaller, hvor partikler kan spinde på plads. Ved at analysere partikelens form og hvordan grupper af dem opfører sig, før de krystalliserer, Damasceno sagde, at det er muligt at forudsige, hvilken type krystal partiklerne ville lave.

"Partiklernes geometri rummer hemmeligheden for deres samlingsadfærd, " han sagde.

Hvorfor de andre 30 procent aldrig dannede krystalstrukturer, forbliver som uordnede briller, er et mysterium.

"Disse ønsker måske stadig at danne krystaller, men sidder fast. Hvad der er pænt er, at for enhver partikel, der sidder fast, vi havde andre, frygtelig lignende former, der danner krystaller, "Sagde Glotzer.

Ud over at finde ud af mere om, hvordan man lokker nanopartikler til strukturer, hendes team vil også forsøge at opdage, hvorfor nogle former modstår orden.