Ny model udvider teorien om mønsterdannelse til nano-kosmos

En ny model udviklet af forskere fra Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organisation (MPI-DS) udvider teorien om elastisk faseadskillelse mod nanoskopiske strukturer. Sådanne mønstre er hyppige i biologiske systemer og bruges også i nano-teknik til at skabe strukturelle farver. Med deres nye indsigt kan forskerne forudsige længdeskalaen af ​​nanoskopiske mønstre og dermed kontrollere dem under produktionen. Modellen er publiceret i tidsskriftet Physical Review X .

Veldefinerede strukturelle mønstre findes overalt i biologiske systemer. Et velkendt eksempel er farvningen af ​​fuglefjer og sommerfuglevinger, som er afhængig af det regelmæssige arrangement af nanoskopiske strukturer, kendt som strukturelle farver. Sådanne mønstre dannes ofte ved faseadskillelse.

Forskellige komponenter adskilles fra hinanden, på samme måde som olie adskilles fra vand. Det er dog stadig uklart, hvordan naturen skaber veldefinerede mønstre, der fører til sådanne farver. Generelt er fremstilling af syntetiske materialer på denne submikronlængdeskala en almindelig udfordring.

En måde at kontrollere strukturer lavet ved faseadskillelse er afhængig af elasticitet:Deformationer af materialer er velbeskrevet af elasticitetsteori på makroskopiske skalaer, for eksempel for at forklare, hvordan et stykke gummi deformeres under påvirkning af kraft. Men på en nanoskopisk skala er materialer ikke længere homogene, og den makroskopiske beskrivelse af materialet er utilstrækkelig.

I stedet betyder det faktiske arrangement af molekyler. Desuden kræver deformering af ethvert materiale energi, hvilket dermed forhindrer store deformationer. Individuelle dråber dannet ved faseadskillelse kan således ikke vokse i det uendelige. Afhængigt af deres arrangement kan der opstå et regulært mønster.

Forskere ledet af David Zwicker, leder af Max Planck Research Group "Theory of Biological Fluids" ved MPI-DS, har nu udviklet en model til at løse dette aspekt. De foreslog en teori baseret på ikke-lokal elasticitet for at forudsige mønsterdannelse ved faseadskillelse.

"Med vores nye model kan vi nu tage højde for det relevante yderligere aspekt for at beskrive systemet," siger Zwicker. "Modellering af alle molekylære komponenter i atomare detaljer ville overstige beregningskraften. I stedet udvidede vi den eksisterende teori mod mindre strukturer, der kan sammenlignes med maskestørrelsen," forklarer han.

Den nye teori forudsiger, hvordan materialeegenskaber påvirker det dannede mønster. Det kan således hjælpe ingeniører med at skabe specifikke nanoskopiske strukturer efter fysiske principper for selvorganisering, som naturen udnytter.

Flere oplysninger: Yicheng Qiang et al., Nonlocal Elasticity Yields Equilibrium Patterns in Phase Separation Systems, Physical Review X (2024). DOI:10.1103/PhysRevX.14.021009

Journaloplysninger: Fysisk gennemgang X

Leveret af Max Planck Society