25 maj 2023 (Nanowerk Nyheter) Burstrukturer gjorda med nanopartiklar kan vara en väg mot att skapa organiserade nanostrukturer med blandade material, och forskare vid University of Michigan har visat hur man uppnår detta genom datorsimuleringar. Fyndet kan öppna nya vägar för fotoniska material som manipulerar ljus på sätt som naturliga kristaller inte kan. Det visade också upp en ovanlig effekt som teamet kallar entropikompartmentalisering. "Vi utvecklar nya sätt att strukturera materia över skalor, upptäcker möjligheterna och vilka krafter vi kan använda", säger Sharon Glotzer, ordförande för kemiteknik vid Anthony C. Lembke, som ledde studien publicerad i Naturkemi ("Entropikompartmentalisering stabiliserar öppna värd-gäst kolloidala Clathrates"). "Entropiska krafter kan stabilisera ännu mer komplexa kristaller än vi trodde."
Burarna i värdnätverket av bipyramidpartiklar visas i blått på vänster sida, och blir allt mer genomskinliga åt höger. De röda bipyramidpartiklarna är gästpartiklar, fångade i burarna i klatratstrukturen. (Bild: Sangmin Lee, Glotzer Group) Även om entropi ofta förklaras som störning i ett system, återspeglar den mer exakt systemets tendens att maximera sina möjliga tillstånd. Ofta slutar detta som oordning i vardaglig mening. Syremolekyler kryper inte ihop i ett hörn – de breder ut sig för att fylla ett rum. Men om du lägger dem i lådan i rätt storlek kommer de naturligtvis att ordna sig i en igenkännlig struktur. Nanopartiklar gör samma sak. Tidigare hade Glotzers team visat att bipyramidpartiklar - som två korta, tresidiga pyramider som sitter ihop vid sina baser - kommer att bilda strukturer som liknar eldis om du lägger dem i en tillräckligt liten låda. Eldis är gjord av vattenmolekyler som bildar burar runt metan, och den kan brinna och smälta samtidigt. Detta ämne finns i överflöd under havsbotten och är ett exempel på en klatrat. Klatratstrukturer undersöks för en rad tillämpningar, som att fånga in och avlägsna koldioxid från atmosfären.
De fullständiga partikelformerna visas till vänster, med de blå partiklarna som bildar burens nätverksstruktur och de röda fungerar som gäster. Till höger är burarna spårade ut med blå prickar vid varje punkt eller stympad punkt på partiklarna och grå linjer som förbinder dem. (Bild: Sangmin Lee, Glotzer Group) Till skillnad från vattenklatrater hade tidigare nanopartikelklatratstrukturer inga luckor att fylla med andra material som kan ge nya och intressanta möjligheter för att förändra strukturens egenskaper. Det ville laget ändra på. "Den här gången undersökte vi vad som händer om vi ändrar formen på partikeln. Vi resonerade att om vi trunkerade partikeln lite, skulle det skapa utrymme i buren som tillverkas av bipyramidpartiklarna, säger Sangmin Lee, nyligen doktorand i kemiteknik och första författare till artikeln. Han tog de tre centrala hörnen från varje bipyramid och upptäckte den söta punkten där utrymmen dök upp i strukturen men pyramidernas sidor var fortfarande intakta nog att de inte började organisera sig på ett annat sätt. Mellanrummen fylldes ut med mer trunkerade bipyramider när de var den enda partikeln i systemet. När en andra form lades till blev den formen den fångade gästpartikeln. Glotzer har idéer för hur man skapar selektivt klibbiga sidor som skulle göra det möjligt för olika material att fungera som bur- och gästpartiklar, men i det här fallet fanns det inget lim som höll ihop bipyramiderna. Istället stabiliserades strukturen helt av entropi.
Burarna i värdnätverket av bipyramidpartiklar visas i blått på vänster sida, och blir allt mer genomskinliga åt höger. De röda bipyramidpartiklarna är gästpartiklar, fångade i burarna i klatratstrukturen. (Bild: Sangmin Lee, Glotzer Group) Även om entropi ofta förklaras som störning i ett system, återspeglar den mer exakt systemets tendens att maximera sina möjliga tillstånd. Ofta slutar detta som oordning i vardaglig mening. Syremolekyler kryper inte ihop i ett hörn – de breder ut sig för att fylla ett rum. Men om du lägger dem i lådan i rätt storlek kommer de naturligtvis att ordna sig i en igenkännlig struktur. Nanopartiklar gör samma sak. Tidigare hade Glotzers team visat att bipyramidpartiklar - som två korta, tresidiga pyramider som sitter ihop vid sina baser - kommer att bilda strukturer som liknar eldis om du lägger dem i en tillräckligt liten låda. Eldis är gjord av vattenmolekyler som bildar burar runt metan, och den kan brinna och smälta samtidigt. Detta ämne finns i överflöd under havsbotten och är ett exempel på en klatrat. Klatratstrukturer undersöks för en rad tillämpningar, som att fånga in och avlägsna koldioxid från atmosfären.
De fullständiga partikelformerna visas till vänster, med de blå partiklarna som bildar burens nätverksstruktur och de röda fungerar som gäster. Till höger är burarna spårade ut med blå prickar vid varje punkt eller stympad punkt på partiklarna och grå linjer som förbinder dem. (Bild: Sangmin Lee, Glotzer Group) Till skillnad från vattenklatrater hade tidigare nanopartikelklatratstrukturer inga luckor att fylla med andra material som kan ge nya och intressanta möjligheter för att förändra strukturens egenskaper. Det ville laget ändra på. "Den här gången undersökte vi vad som händer om vi ändrar formen på partikeln. Vi resonerade att om vi trunkerade partikeln lite, skulle det skapa utrymme i buren som tillverkas av bipyramidpartiklarna, säger Sangmin Lee, nyligen doktorand i kemiteknik och första författare till artikeln. Han tog de tre centrala hörnen från varje bipyramid och upptäckte den söta punkten där utrymmen dök upp i strukturen men pyramidernas sidor var fortfarande intakta nog att de inte började organisera sig på ett annat sätt. Mellanrummen fylldes ut med mer trunkerade bipyramider när de var den enda partikeln i systemet. När en andra form lades till blev den formen den fångade gästpartikeln. Glotzer har idéer för hur man skapar selektivt klibbiga sidor som skulle göra det möjligt för olika material att fungera som bur- och gästpartiklar, men i det här fallet fanns det inget lim som höll ihop bipyramiderna. Istället stabiliserades strukturen helt av entropi.
[Inbäddat innehåll]
De grå konturerna spårar bipyramidformer som bygger sig in i burar runt de röda bipyramidformerna, vilket skapar en struktur som inom kemin kallas klatrat. (Animation): Sangmin Lee, Glotzer Group, University of Michigan) "Det som verkligen är fascinerande när man tittar på simuleringarna är att värdnätverket nästan är fruset. Värdpartiklarna rör sig, men de rör sig alla tillsammans som ett enda, styvt föremål, vilket är precis vad som händer med vattenklatrater, säger Glotzer. "Men gästpartiklarna snurrar runt som galningar - som om systemet dumpade all entropi i gästpartiklarna." Detta var systemet med flest frihetsgrader som de stympade bipyramiderna kunde bygga på ett begränsat utrymme, men nästan all frihet tillhörde gästpartiklarna. Metan i vattenklatrater roterar också, säger forskarna. Dessutom, när de tog bort gästpartiklarna, kastade strukturen bipyramider som hade varit en del av den nätverksanslutna burstrukturen in i burens interiörer - det var viktigare att ha snurrande partiklar tillgängliga för att maximera entropin än att ha kompletta burar. "Entropikompartmentalisering. Är inte det coolt? Jag slår vad om att det händer i andra system också - inte bara clathrates, sa Glotzer.- SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
- PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
- Minting the Future med Adryenn Ashley. Tillgång här.
- Köp och sälj aktier i PRE-IPO-företag med PREIPO®. Tillgång här.
- Källa: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=63057.php
