Teori forudsiger ny type binding, der samler nanopartikelkrystaller

Entropi, en fysisk egenskab, der ofte forklares som "uorden", afsløres som en skaber af orden med en ny bindingsteori udviklet ved University of Michigan og offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Ingeniører drømmer om at bruge nanopartikler til at bygge designermaterialer, og den nye teori kan hjælpe med at guide indsatsen for at få nanopartikler til at samle sig i nyttige strukturer. Teorien forklarer tidligere resultater, der udforsker dannelsen af ​​krystalstrukturer af rumbegrænsede nanopartikler, hvilket gør det muligt at kvantificere og udnytte entropi i fremtidige bestræbelser.

Og mærkeligt nok afspejler det sæt af ligninger, der styrer nanopartikelinteraktioner på grund af entropi, dem, der beskriver kemisk binding. Sharon Glotzer, Anthony C. Lembkes afdelingsformand for Kemiteknik, og Thi Vo, en postdoc-forsker i kemiteknik, besvarede nogle spørgsmål om deres nye teori.

Hvad er entropisk binding?

Glotzer:"Entropisk binding er en måde at forklare, hvordan nanopartikler interagerer for at danne krystalstrukturer. Det er analogt med de kemiske bindinger dannet af atomer. Men i modsætning til atomer er der ikke elektroninteraktioner, der holder disse nanopartikler sammen. I stedet opstår tiltrækningen pga. entropi."

"Ofte er entropi forbundet med uorden, men det handler i virkeligheden om muligheder. Når nanopartikler er stimlet sammen, og mulighederne er begrænsede, viser det sig, at det mest sandsynlige arrangement af nanopartikler kan være en bestemt krystalstruktur. Den struktur giver systemet flest muligheder , og dermed den højeste entropi. Store entropiske kræfter opstår, når partiklerne kommer tæt på hinanden."

"Ved at lave de mest omfattende undersøgelser af partikelformer og de krystaller, de danner, fandt min gruppe ud af, at når du ændrer formen, ændrer du retningsbestemmelsen af ​​de entropiske kræfter, der styrer dannelsen af ​​disse krystalstrukturer. Den retningsbestemmelse simulerer en binding, og da det er drevet af entropi, kalder vi det entropisk binding."

Hvorfor er dette vigtigt?

Glotzer:"Entropys bidrag til at skabe orden bliver ofte overset, når man designer nanopartikler til selvsamling, men det er en fejl. Hvis entropi hjælper dit system med at organisere sig selv, behøver du muligvis ikke konstruere eksplicit tiltrækning mellem partikler - for eksempel ved at bruge DNA eller andre klæbrige molekyler – med en så stærk interaktion, som du troede. Med vores nye teori kan vi beregne styrken af ​​disse entropiske bindinger."

"Selvom vi har vidst, at entropiske vekselvirkninger kan være retningsbestemte som bindinger, er vores gennembrud, at vi kan beskrive disse bindinger med en teori, der linje for linje matcher teorien, som du ville skrive ned for elektroninteraktioner i faktiske kemiske bindinger. Det er dybtgående. Jeg er forbløffet over, at det overhovedet er muligt at gøre det. Matematisk set sætter det kemiske bindinger og entropiske bindinger på samme fod. Dette er både grundlæggende vigtigt for vores forståelse af stof og praktisk vigtigt for at lave nye materialer."

Elektroner er dog nøglen til disse kemiske ligninger. Hvordan gjorde du det, når ingen partikler medierer interaktionerne mellem dine nanopartikler?

Glotzer:"Entropi er relateret til det frie rum i systemet, men i årevis vidste jeg ikke, hvordan jeg skulle tælle det rum. Denne store indsigt var, at vi kunne tælle det rum ved hjælp af fiktive punktpartikler. Og det gav os den matematiske analog af elektronerne."

Vo:"Pseudopartiklerne bevæger sig rundt i systemet og udfylder de rum, der er svære for en anden nanopartikel at udfylde - vi kalder dette det udelukkede volumen omkring hver nanopartikel. Efterhånden som nanopartiklerne bliver mere ordnede, bliver det udelukkede volumen omkring dem mindre, og koncentrationen af ​​pseudopartikler i disse områder stiger. De entropiske bindinger er der, hvor koncentrationen er højest."

"I overfyldte forhold opvejes den entropi, der tabes ved at øge rækkefølgen, af entropien opnået ved at formindske det udelukkede volumen. Som et resultat vil konfigurationen med den højeste entropi være den, hvor pseudopartikler optager mindst plads." + Udforsk yderligere

Undersøgelse afslører, hvordan man bryder symmetri i kolloide krystaller