Fast og flydende på samme tid

Mikroskopisk små partikler kan spontant selv samles til komplekse lagdelte strukturer med bemærkelsesværdige egenskaber, ifølge beregninger udført ved TU Wien.

Der er mange måder at skabe nye, innovative materialer. En af de mest interessante er en proces, hvor små partikler selv samler sig for at danne komplekse strukturer. denne proces, benævnt "selvorganisering, " åbner nogle bemærkelsesværdige muligheder, som det nu er blevet demonstreret ved computersimuleringer udført på TU Wien. Simple makromolekyler er i stand til at danne lagdelte systemer, der samtidigt kan være faste og flydende inden for et bredt temperaturområde.

Frastødende og attraktive ladninger

"Det grundlæggende koncept er et, der udnyttes bredt i naturen, " forklarer professor Gerhard Kahl fra Institut for Teoretisk Fysik ved TU Wien. "Virus og bakterier udviser ofte overfladeladninger. Det betyder, at de enten tiltrækker eller frastøder hinanden, afhængigt af den type ladning, de bærer. Som resultat, selektiv binding kan forekomme mellem disse enheder, giver dem mulighed for at samle sig til interessante, funktionelle strukturer."

En lignende proces er også mulig med menneskeskabte partikler – f.eks. små (kolloide) kugler, hvortil der påføres en positiv elektrisk ladning ved to modsatte overfladeområder. Hvis de omgivende forhold er passende, sådanne partikler kan samles selv for at danne et todimensionelt lag. Partiklerne bliver derefter tæt pakket, danner et sekskantet mønster, med de ladede overfladeområder af partiklerne på linje, så de danner stærke attraktive bindinger. Dette bindingsmønster gør laget ekstremt stabilt.

Som Emanuela Bianchi og Silvano Ferrari fra Gerhard Kahls arbejdsgruppe har demonstreret, dette tillader et interessant fænomen at opstå, nemlig at flere sådanne lag så kan slutte sig sammen samtidigt. Yderligere partikler kan derefter indtage positioner mellem lagene, etablere stærke bindinger mellem disse lag. Disse bindingspartikler fikserer lagene på plads, betyder, at de ikke længere kan skifte i forhold til hinanden; altså en stald, flerlagsstruktur dannes fuldstændig autonomt gennem selvorganisering af tilfældige partikler, der tilfældigvis passerer forbi.

Både fast og flydende:minichokoladewaferen

De særlige karakteristika ved disse strukturer bliver tydelige, når temperaturen hæves:"Binderne i de enkelte lag er meget stærkere end bindingerne mellem lagene, " forklarer Gerhard Kahl. "Hvis temperaturen øges, det er de svagere bindinger mellem lagene, der først brydes; partiklerne kan derefter bevæge sig frit som en væske, mens lagene selv forbliver stabile." Denne effekt ligner en chokoladewafer i sommervarmen, med flydende chokolade klemt mellem fast, stabile waferlag. "Dette er et bemærkelsesværdigt fænomen. Vi har at gøre med et unikt materiale, der kun består af én type partikler, kan dog danne en struktur, der omfatter både faste og flydende lag på samme tid."

Dette scenarie kan observeres over et bredt temperaturområde; det er først, når temperaturen er så høj, at selv de stabile bindinger inden for de enkelte lag brydes, at strukturen falder fra hinanden og smelter fuldstændigt. Indtil da, systemet demonstrerer en enestående evne til selvhelbredelse:selv når det er beskadiget, det repareres hurtigt automatisk af tilfældigt passerende partikler.

Eksperimenter er allerede begyndt for at teste de potentielle anvendelser af disse nye ideer. Der er mange anvendelsesmuligheder for strukturer af denne art. "Sådanne strukturer ville give os mulighed for præcist at kontrollere transporten af ​​partikler via subtile temperaturændringer, " siger Gerhard Kahl. Dette kunne bruges i medicin, for eksempel, for at transportere medicin til det helt rigtige sted i kroppen.