Mønstre af partikler genereret af overfladeladninger

At justere materialestrukturen på nanoskalaniveau kan være virkelig svært at opnå - men hvad nu hvis vi havde små partikler, som samles helt af sig selv, skabe den nødvendige struktur? På det teknologiske universitet i Wien (TU Wien), fænomenet selvsamling bliver undersøgt ved at studere inhomogent ladede partikler. Afhængigt af forskellige parametre, de kan danne gellignende eller krystallignende strukturer. Denne form for selvsamling lover meget for nanoteknologi.

Mikropartikler med specielt strukturerede overflader

Emanuela Bianchi er videnskabsmand i professor Gerhard Kahls forskningsgruppe ved Institut for Teoretisk Fysik ved Wiens Teknologiske Universitet. I hendes computersimuleringer, hun gengiver opførsel af partikler, der ikke er større end et par mikrometer – sammenlignelig med vira eller små bakterier. Hun er især interesseret i nanopartikler med en kompliceret overflade, bestående af forskellige slags plastre, der er kendetegnet ved forskellige fysiske egenskaber.

Nyligt arbejde (finansieret via et Elise Richter Fellowhip af FWF) har fokuseret på partikler med inhomogent ladede overfladeområder:Størstedelen af ​​partiklen bærer negativ elektrisk ladning, men de polære områder på toppen og bunden af ​​partiklen er positivt ladede. "På grund af det faktum, at lignende ladninger frastøder, mens modsatte ladninger tiltrækker hinanden, " siger Emanuela Bianchi, "vores partikler har en tendens til at justere på en sådan måde, at den ene partikels pol peger mod den andens ækvator." Men når mange af disse partikler interagerer, tingene bliver mere komplicerede.

Computersimuleringer har nu været i stand til at vise, hvordan disse partikler opfører sig, når de er fanget mellem to planer, så de er nødt til at justere i kvasi todimensionelle strukturer. Resultaterne viste, at der er forskellige mulige konfigurationer:Nogle gange er partiklerne tæt pakket i en simpel sekskantet struktur, som er velkendt fra krystaller. Sommetider, mindre ordnede gel-lignende strukturer opstår, med indbyrdes forbundne ringe af fem eller seks partikler.

"Med vores model, vi kan finde ud af, hvilke parametre der bestemmer den nye struktur, " siger Emanuela Bianchi. Størrelsen af ​​de positivt ladede polære pletter spiller en særlig vigtig rolle. Kugler, hvor grænsen mellem negativ og positiv ladning er på 45 graders bredde, skaber meget mere ordnede strukturer end partikler, hvor denne grænse er tættere på polen , ved 60 grader. Resultatet kan også påvirkes ved at indstille den elektriske ladning af den gulvplade, som partiklerne hviler på – en parameter, som er meget nem at kontrollere i et forsøg. En sådan parameter styrer størrelsen af ​​aggregaterne og kan endda være ansvarlig for en fuldstændig undertrykkelse af partikelaggregationen.

Materialer med Taylor Made Properties

At forstå selvsamlingen af ​​mikropartikler åbner døren til at designe partikler, som automatisk danner skræddersyede strukturer. Afhængig af den mikroskopiske justering af partiklerne, de skaber overfladetyper med forskellige tætheder og forskellige reaktioner på ydre stimuli (f.eks. elcetromagnetiske felter). Det betyder, at selvsamlede strukturer for eksempel kan bruges til at skabe filtre med afstembar porøsitet. "Især til biomedicinske applikationer, dette kan have mange mulige anvendelser, " siger Emanuela Bianchi.