25 mei 2023 (Nanowerk Nieuws) Kooistructuren gemaakt met nanodeeltjes zouden een route kunnen zijn naar het maken van georganiseerde nanostructuren met gemengde materialen, en onderzoekers van de Universiteit van Michigan hebben laten zien hoe dit kan worden bereikt door middel van computersimulaties. De bevinding kan nieuwe wegen openen voor fotonische materialen die licht manipuleren op manieren die natuurlijke kristallen niet kunnen. Het toonde ook een ongewoon effect dat het team entropiecompartimentering noemt. "We ontwikkelen nieuwe manieren om materie over schalen te structureren, ontdekken de mogelijkheden en welke krachten we kunnen gebruiken", zegt Sharon Glotzer, de Anthony C. Lembke Department Chair of Chemical Engineering, die de studie leidde die werd gepubliceerd in Natuurchemie ("Entropiecompartimentering stabiliseert open gastheer-gast colloïdale Clathrates"). "Entropische krachten kunnen nog complexere kristallen stabiliseren dan we dachten."
De kooien van het gastheernetwerk van bipiramidedeeltjes worden aan de linkerkant in blauw weergegeven en worden naar rechts steeds transparanter. De rode bipiramidedeeltjes zijn gastdeeltjes, gevangen in de kooien van de clathraatstructuur. (Afbeelding: Sangmin Lee, Glotzer Group) Hoewel entropie vaak wordt uitgelegd als wanorde in een systeem, weerspiegelt het nauwkeuriger de neiging van het systeem om zijn mogelijke toestanden te maximaliseren. Vaak eindigt dit als wanorde in de informele zin van het woord. Zuurstofmoleculen kruipen niet samen in een hoek - ze verspreiden zich om een kamer te vullen. Maar als je ze in de juiste maatdoos stopt, ordenen ze zich vanzelf tot een herkenbare structuur. Nanodeeltjes doen hetzelfde. Eerder had het team van Glotzer aangetoond dat bipiramidedeeltjes - zoals twee korte, driezijdige piramides die aan hun basis aan elkaar zijn geplakt - structuren zullen vormen die lijken op die van vuurijs als je ze in een voldoende kleine doos stopt. Vuurijs is gemaakt van watermoleculen die kooien rond methaan vormen, en het kan tegelijkertijd branden en smelten. Deze stof komt in overvloed voor onder de oceaanbodem en is een voorbeeld van een clathraat. Clathraatstructuren worden onderzocht voor een reeks toepassingen, zoals het opvangen en verwijderen van koolstofdioxide uit de atmosfeer.
De volledige deeltjesvormen worden aan de linkerkant getoond, waarbij de blauwe deeltjes de kooinetwerkstructuur vormen en de rode als gasten fungeren. Aan de rechterkant zijn de kooien omlijnd met blauwe stippen op elk punt of afgekapt punt op de deeltjes en grijze lijnen die ze verbinden. (Afbeelding: Sangmin Lee, Glotzer Group) In tegenstelling tot waterclathraten hadden eerdere clathraatstructuren van nanodeeltjes geen hiaten die konden worden opgevuld met andere materialen die nieuwe en interessante mogelijkheden zouden kunnen bieden om de eigenschappen van de structuur te veranderen. Daar wilde het team verandering in brengen. “Deze keer hebben we onderzocht wat er gebeurt als we de vorm van het deeltje veranderen. We redeneerden dat als we het deeltje een beetje afknotten, er ruimte zou ontstaan in de kooi die wordt gemaakt door de bipiramidedeeltjes, "zei Sangmin Lee, een recent gepromoveerd in chemische technologie en eerste auteur van het artikel. Hij haalde de drie centrale hoeken van elke bipiramide en ontdekte de goede plek waar ruimtes in de structuur verschenen, maar de zijkanten van de piramides waren nog intact genoeg om ze niet op een andere manier te organiseren. De ruimtes vulden zich met meer afgeknotte bipiramides toen ze het enige deeltje in het systeem waren. Toen een tweede vorm werd toegevoegd, werd die vorm het gevangen gastdeeltje. Glotzer heeft ideeën voor het maken van selectief kleverige zijkanten waardoor verschillende materialen als kooi en gastdeeltjes kunnen fungeren, maar in dit geval was er geen lijm die de bipiramides bij elkaar hield. In plaats daarvan werd de structuur volledig gestabiliseerd door entropie.
De kooien van het gastheernetwerk van bipiramidedeeltjes worden aan de linkerkant in blauw weergegeven en worden naar rechts steeds transparanter. De rode bipiramidedeeltjes zijn gastdeeltjes, gevangen in de kooien van de clathraatstructuur. (Afbeelding: Sangmin Lee, Glotzer Group) Hoewel entropie vaak wordt uitgelegd als wanorde in een systeem, weerspiegelt het nauwkeuriger de neiging van het systeem om zijn mogelijke toestanden te maximaliseren. Vaak eindigt dit als wanorde in de informele zin van het woord. Zuurstofmoleculen kruipen niet samen in een hoek - ze verspreiden zich om een kamer te vullen. Maar als je ze in de juiste maatdoos stopt, ordenen ze zich vanzelf tot een herkenbare structuur. Nanodeeltjes doen hetzelfde. Eerder had het team van Glotzer aangetoond dat bipiramidedeeltjes - zoals twee korte, driezijdige piramides die aan hun basis aan elkaar zijn geplakt - structuren zullen vormen die lijken op die van vuurijs als je ze in een voldoende kleine doos stopt. Vuurijs is gemaakt van watermoleculen die kooien rond methaan vormen, en het kan tegelijkertijd branden en smelten. Deze stof komt in overvloed voor onder de oceaanbodem en is een voorbeeld van een clathraat. Clathraatstructuren worden onderzocht voor een reeks toepassingen, zoals het opvangen en verwijderen van koolstofdioxide uit de atmosfeer.
De volledige deeltjesvormen worden aan de linkerkant getoond, waarbij de blauwe deeltjes de kooinetwerkstructuur vormen en de rode als gasten fungeren. Aan de rechterkant zijn de kooien omlijnd met blauwe stippen op elk punt of afgekapt punt op de deeltjes en grijze lijnen die ze verbinden. (Afbeelding: Sangmin Lee, Glotzer Group) In tegenstelling tot waterclathraten hadden eerdere clathraatstructuren van nanodeeltjes geen hiaten die konden worden opgevuld met andere materialen die nieuwe en interessante mogelijkheden zouden kunnen bieden om de eigenschappen van de structuur te veranderen. Daar wilde het team verandering in brengen. “Deze keer hebben we onderzocht wat er gebeurt als we de vorm van het deeltje veranderen. We redeneerden dat als we het deeltje een beetje afknotten, er ruimte zou ontstaan in de kooi die wordt gemaakt door de bipiramidedeeltjes, "zei Sangmin Lee, een recent gepromoveerd in chemische technologie en eerste auteur van het artikel. Hij haalde de drie centrale hoeken van elke bipiramide en ontdekte de goede plek waar ruimtes in de structuur verschenen, maar de zijkanten van de piramides waren nog intact genoeg om ze niet op een andere manier te organiseren. De ruimtes vulden zich met meer afgeknotte bipiramides toen ze het enige deeltje in het systeem waren. Toen een tweede vorm werd toegevoegd, werd die vorm het gevangen gastdeeltje. Glotzer heeft ideeën voor het maken van selectief kleverige zijkanten waardoor verschillende materialen als kooi en gastdeeltjes kunnen fungeren, maar in dit geval was er geen lijm die de bipiramides bij elkaar hield. In plaats daarvan werd de structuur volledig gestabiliseerd door entropie.
[Ingesloten inhoud]
De grijze contouren traceren bipiramidevormen die zichzelf bouwen in kooien rond de rode bipiramidevormen, waardoor een structuur ontstaat die in de chemie bekend staat als een clathraat. (Animatie): Sangmin Lee, Glotzer Group, Universiteit van Michigan) “Wat echt fascinerend is, kijkend naar de simulaties, is dat het hostnetwerk bijna bevroren is. De gastheerdeeltjes bewegen, maar ze bewegen allemaal samen als een enkel, stijf object, en dat is precies wat er gebeurt met waterclathraten, "zei Glotzer. "Maar de gastdeeltjes draaien als een gek rond - alsof het systeem alle entropie in de gastdeeltjes heeft gedumpt." Dit was het systeem met de meeste vrijheidsgraden dat de afgeknotte bipiramides in een beperkte ruimte konden bouwen, maar bijna alle vrijheid behoorde toe aan de gastdeeltjes. Methaan in waterclathraten roteert ook, zeggen de onderzoekers. Wat meer is, toen ze de gastdeeltjes verwijderden, gooide de structuur bipiramides die deel uitmaakten van de genetwerkte kooistructuur in de binnenkant van de kooi - het was belangrijker om draaiende deeltjes beschikbaar te hebben om de entropie te maximaliseren dan om volledige kooien te hebben. “Entropie-compartimentering. Is dat niet cool? Ik wed dat dat ook in andere systemen gebeurt - niet alleen clathrates, 'zei Glotzer.- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoAiStream. Web3 gegevensintelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- De toekomst slaan met Adryenn Ashley. Toegang hier.
- Koop en verkoop aandelen in PRE-IPO-bedrijven met PREIPO®. Toegang hier.
- Bron: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=63057.php
