Mit einem gezielten computergestützten Ansatz haben Forscher des Department of Materials Science and Engineering der Cornell University mehr als 20 neue selbstorganisierte Kristallstrukturen gefunden, von denen keine zuvor beobachtet worden war.
Die Forschung, veröffentlicht in der Zeitschrift ACS-Nano unter dem Titel „Targeted Discovery of Low-Coordinated Crystal Structures via Tunable Particle Interactions“ ist von Ph.D. Studentin Hillary Pan und ihre Beraterin Julia Dshemuchadse, Assistenzprofessorin für Materialwissenschaften und -technik.
„Im Wesentlichen haben wir versucht herauszufinden, welche Arten von neuen Kristallstrukturkonfigurationen wir in der Simulation selbst zusammenbauen können“, sagte Pan. „Das Aufregendste war, dass wir neue Strukturen gefunden haben, die zuvor in keiner Kristallstrukturdatenbank aufgeführt waren; diese Partikel fügen sich tatsächlich zu etwas zusammen, das noch niemand zuvor gesehen hat.“
Das Team führte eine gezielte Suche nach zuvor unbekannten niedrig koordinierten Anordnungen innerhalb eines riesigen Parameterraums durch, der von Partikeln aufgespannt wird, die über isotrope Paarpotentiale interagieren, heißt es in dem Papier. „Niedrig koordinierte Strukturen haben anisotrope lokale Umgebungen, was bedeutet, dass die Geometrien stark gerichtet sind, daher ist es unglaublich, dass wir eine solche Vielfalt dieser Arten von Strukturen mit rein ungerichteten Wechselwirkungen sehen können“, sagte Pan.
Eine geringe Partikelkoordination ist ein struktureller Schlüssel für die funktionellen Eigenschaften vieler technologisch wichtiger Materialien, einschließlich Gerüststrukturen wie metallorganischer Gerüste, Clathrate und Zeolithe sowie photonischer Kristalle wie Diamant.
Die Forscher entwickelten eine neue Funktionsform für Teilcheninteraktionen, bei der alle Merkmale unabhängig voneinander abgestimmt werden können. Durch die systematische Änderung von Parameterpaaren in der Simulation konnten die Forscher verschiedene Merkmale der Interaktionslandschaft der Partikel steuern. Trotz der Beschränkung der Suche auf einen kleinen Bereich des riesigen Parameterraums möglicher Teilchenwechselwirkungen, heißt es in der Veröffentlichung, ist innerhalb dieser Kristallstrukturen, zu denen Clathrate mit leeren Käfigen und Strukturen mit geringer Symmetrie gehören, eine Fülle von Komplexität und Symmetrie offensichtlich zuvor in der Simulation nicht beobachtet.
Die Arbeit zeigt, dass sich aus einfachen Interaktionen komplizierte Strukturen entwickeln können, und fügt neue theoretische Strukturen für andere hinzu, die auf diesem Gebiet arbeiten. Das flexible und intuitive Interaktionspotentialdesign des Teams dient als wichtiger Schritt zur Bestimmung der Eigenschaften von Partikelinteraktionen, die zu bestimmten strukturellen Eigenschaften führen, was nützlich ist, um synthetische Regeln zur Herstellung von Zielstrukturen aufzustellen.
Die Ergebnisse des Teams deuten darauf hin, dass durch kontrollierte Selbstorganisation potenziell unbegrenzte neue und exotische Materialkonfigurationen möglich sind. „Dies ist das erste Mal, dass wir die Beziehung dieses isotropen Paarpotentials mit den resultierenden Kristallstrukturen quantifizieren“, sagte Dshemuchadse. „Diese neuen Kristallstrukturen können nun als Designziele für Forscher dienen, die tatsächlich Nanopartikel und Kolloide herstellen.“
Mehr Informationen:
Hillary Pan et al, Targeted Discovery of Low-Coordinated Crystal Structures via Tunable Particle Interactions, ACS-Nano (2023). DOI: 10.1021/acsnano.2c09131