Die Studie wirft ein neues Licht auf die Materialmontage im Gefängnis

Mehrere Paar Schuhe in einen Urlaubskoffer zu stopfen, sie in verschiedene Anordnungen zu drehen und umzudrehen, um jedes benötigte Paar zu passen, ist ein bekanntes Optimierungsproblem, mit dem gestresste Reisende konfrontiert sind. Dasselbe Problem ist Ingenieuren wohlbekannt – wie können sie, wenn sie eine Anzahl von Objekten mit einer bestimmten Form haben, in einen Behälter gepackt werden? Und welches Muster wird diese Verpackung bilden?

Im Gegensatz zum Inhalt eines Koffers kann die Art und Weise, wie mikroskopisch kleine Partikel zusammengepackt werden, genutzt werden, um die Eigenschaften der Materialien, die sie bilden, zu verändern; zum Beispiel, wie Licht oder Elektrizität hindurchgehen. Materialwissenschaftler haben lange untersucht, wie das Zusammenfügen von Partikeln auf engstem Raum als Werkzeug verwendet werden kann, um Materialien neue Fähigkeiten zu verleihen, aber wie Partikel mit einzigartigen Formen mit einer Barriere interagieren, ist noch weitgehend unverstanden.

Eine neue Studie von Forschern des Department of Materials Science and Engineering der Cornell University verwendete Computersimulationen, um zu zeigen, wie die Anordnung von Tetraedern mit abgeschnittenen Ecken – einer Partikelform mit vier sechseckigen und vier dreieckigen Flächen – beeinflusst wird, wenn sie in einem kugelförmigen Behälter eingeschlossen sind. Die Ergebnisse, veröffentlicht in der Zeitschrift Weiche Materiebieten Materialwissenschaftlern eine neue Methode zur Kontrolle der Aufbaustruktur und der Eigenschaften des resultierenden Materials.

„Früher haben Theoretiker hauptsächlich Simulationen mit Kugeln durchgeführt, weil die meisten Partikel ungefähr kugelförmig sind, und das war rechnerisch am einfachsten“, sagte Rachael Skye, Doktorandin und Erstautorin der Studie, „aber Experimentatoren finden immer wieder aufregende Wege dazu Form kontrollieren und jetzt können sie kolloidale Partikel wie Tetraeder, Oktaeder oder Würfel herstellen. Mit fortschrittlicher Rechenleistung können wir diese Formen simulieren, aber auch weiter gehen und vorhersagen, was neue, noch nicht synthetisierte Partikel tun könnten.“

Um die Wissenslücke darüber zu schließen, wie sich diese Partikelformen im Einschluss zusammensetzen, simulierten Skye und die leitende Autorin der Studie, Julia Dshemuchadse, Assistenzprofessorin für Materialwissenschaft und -technik, tetraedrische Partikelanordnungen in kugelförmigen Behältern. Jeder enthielt nur vier Partikel und bis zu 10.000. In jeder Simulation würde der Behälter mit der programmierten Anzahl von Partikeln darin so weit wie möglich schrumpfen.

„Diese Simulation ahmt nach, wie einige kolloidale Materialien hergestellt werden, wobei Partikel in einem Flüssigkeitströpfchen platziert werden, das sich zusammenzieht, wenn es verdunstet“, sagte Dshemuchadse.

Diese Partikel können auf verschiedene Weise zusammenpassen, aber es gibt zwei unterschiedliche Motive: ausgerichtet, mit angrenzenden sechseckigen Flächen, oder anti-ausgerichtet, mit einer sechseckigen Fläche neben einer dreieckigen. Jedes Motiv treibt eine Gesamtstruktur voran, die sich unterschiedlich an die Grenzen der Container anpasst.

„Wenn Sie diese anti-ausgerichteten Partikel haben, können Sie sehr gut flache Schichten bilden und unendlich breit stapeln, was einen wirklich guten Kristall ergibt“, sagte Dshemuchadse, der hinzufügte, dass dieses Motiv wegen des größeren Behälters bevorzugt wird, wenn eine große Anzahl von Partikeln simuliert wird Größe hat eine kleinere Krümmung, „aber wenn Sie die Partikel ausgerichtet haben, kann die Struktur ein gekrümmtes Motiv bilden, das besser in eine Kugelschale passt. Bei einer kleinen Anzahl von Partikeln wird das ausgerichtete Motiv bevorzugt, da die kleineren Behälter große Krümmungen haben.“

Die Ergebnisse bieten Materialwissenschaftlern eine Methode, um große Kristalle in Partikelsystemen zu züchten, die sich normalerweise nicht zu geordneten Strukturen anordnen. Andere Verfahren zur Erzielung eines wohlgeordneten Kristalls umfassen Techniken wie das „Beimpfen“ des Materials mit Partikeln, die in speziellen Orientierungen eingeschränkt sind, die die entsprechende Struktur antreiben, aber solche Verfahren erfordern die Herstellung neuer Arten von Partikeln, was bei einer experimentellen Realisierung weniger einfach wäre diese Systeme. Im Gegensatz dazu ist die Bildung von Kristallen auf einem flachen Substrat oft die Norm, und diese Studie zeigt, wie diese Technik der resultierenden Struktur zugute kommen kann.

„Kolloidale Kristalle sind in der Regel klein und voller Defekte, aber damit sie in den meisten Anwendungen nützlich sind, müssen sie ziemlich groß und fehlerfrei sein“, sagte Skye. „Die Idee ist, dass Sie durch die richtige Wahl Ihres Behälters oder Ihrer Wand einen Kristall herstellen können, der viel größer und von besserer Qualität ist, als Sie es sonst könnten.“

Skye fügte hinzu, dass diese Montagetechnik in Bereichen wie Plasmonik und Photonik verwendet werden kann, um dasselbe Partikel auf zwei verschiedene Arten auszurichten, wodurch Ingenieure Geräte erstellen können, die je nach gewählter Anordnungsformation unterschiedliche Reaktionen aufweisen.