Forskere viser ny måde at samle partikler til komplekse strukturer

(Phys.org) -- Mange nyere fremskridt inden for mikroteknologi og nanoteknologi afhænger af mikroskopiske sfæriske partikler, der selv samler sig til aggregater i stor skala for at danne et relativt begrænset udvalg af krystallinske strukturer. Directed assembly er en ny gren af ​​dette felt, hvor videnskabsmænd finder ud af, hvordan man får partikler til at samle sig for at danne en bred vifte af strukturer på givne steder.

Nuværende teknikker til rettet montage bruger typisk et anvendt felt, såsom et elektrisk eller magnetisk felt, at flytte partikler og at samle dem til veldefinerede strukturer. Nu, forskere ved University of Pennsylvania har identificeret en simpel ny metode til at styre partikelsamling baseret på overfladespænding og partikelform.

Forskningen, ledet af Kathleen J. Stebe, professor ved Institut for Kemi- og Biomolekylær Teknik og skolens vicedekan for forskning, blev udført af et team af forskere i hendes laboratorium, Marcello Cavallaro Jr., Lorenzo Botto, Eric P. Lewandowski og Marisa Wang. Den blev offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Deres resultater er afhængige af det simple faktum, at en væskeoverflade vil have en tendens til at minimere dens overfladeareal.

"Det er den samme grund til, at overfladespænding får en dråbe vand til at ønske at være en kugle, sagde Stebe. "Men vi kan tune det fænomen til at gøre forbløffende ting."

Selvsamlende sfæriske partikler er blevet brugt til at lave nye materialer med unikke optiske og mekaniske egenskaber, men ikke-sfærisk, eller anisotropisk, partikler kan holde endnu større løfte. Ved at have en definerbar retningsbestemmelse, egenskaberne af de materialer, partiklerne udgør, kan ændres baseret på deres orientering.

I undersøgelsen, Stebes laboratorium brugte cylindriske partikler lavet af en almindelig polymer. Når den placeres på overfladen af ​​en tynd film af vand, cylindrene producerer en sadelformet deformation:Vandets overflade dykker i hver ende af en partikel og stiger op langs deres sider.

Stebe-laboratoriet havde tidligere vist, at denne sadelform kan bruges til at orientere to cylindriske partikler ende-til-ende. Når fordybningerne i deres ender kommer i kontakt, overfladespænding får området af mellemrummet mellem dem til at trække sig sammen, bringe enderne sammen.

I den nye undersøgelse, i stedet for at to partikler interagerer, partikler interagerer med en stationær stolpe. Stolpen stikker gennem vandoverfladen, får overfladen til at bue opad omkring den. Samspillet mellem en partikels deformation og denne kurve er styret af det samme fænomen med overfladespænding vist i den tidligere undersøgelse; partiklerne bevæger sig for at gøre overfladearealet så lille som muligt.

"Det betyder, at så snart partiklerne rammer vandoverfladen, de ændrer deres justering og begynder at bevæge sig hurtigt op ad bakke mod stolpen, " sagde Cavallaro. "Vi var også i stand til at forudsige de linjer, de ville rejse for tre forskellige stolpeformer."

Ved at ændre tværsnitsformen af ​​stolperne, forskerne kunne vise fin kontrol over, hvordan partiklerne bevægede sig og orienterede sig. En cirkulær stolpe tiltrak partikler i lige linjer, hvorimod en elliptisk stolpe trak partikler til de aflange ender. Et firkantet indlæg producerede den mest komplekse adfærd, trække partikler stærkt til hjørnerne, efterlader siderne åbne.

Laboratoriets valg af partikelform og materiale var kun for at hjælpe forskerne med at observere partiklernes orientering og position; enhver ikke-sfærisk partikel, på enhver væske-væske eller væske-damp overflade, ville være styret af de samme principper og producere den samme type deformation. Det gør denne forskning særlig kraftfuld:Den er ikke afhængig af, at partiklen har en bestemt form eller er lavet af et bestemt materiale.

Overflader besat med strategisk placerede og formede stolper kunne dirigere og orientere partikler ind i næsten enhver konfiguration. Og fordi mekanismen bag partiklernes bevægelse simpelthen er overfladekrumningen, deres bevægelse kunne "programmeres" ved at ændre placeringen af ​​stolperne eller formen på grænsefladen.

"Jeg kunne gå ind med nål, for eksempel, og dynamisk trække overfladen op på forskellige steder, eller over forskellige tider, sagde Stebe.

"Meget ofte, når vi tænker på at bruge mikro- eller nanoteknologi, vi tænker ikke på egenskaber i den lille skala:Det vil være den organiserede struktur lavet af mikro- eller nanopartikler, der vil være nyttig, måske som en linse eller en smart overflade, " sagde hun. "Dette fænomen kunne bruges til at lave nye strukturer ved at sende partikler til bestemte steder. Vi kunne definere stier og sige 'her er et dockingsted:gå derhen' eller 'her er et sted, hvor vi intet vil have; gå ikke derhen.'

”Dette er en klar demonstration af rettet forsamling. Ligesom selvmontering, ting hænger sammen nedefra, men her samles de præcis, hvor vi vil have dem til.”