Materie is ofwel gas, vloeibaar of vast op basis van hoe de moleculen reageren op temperatuur en druk. Maar wat als de bouwstenen zelfdraaiende deeltjes zijn in plaats van gewone moleculen? Theoretisch natuurkundigen kwamen erachter wat de fase van die kunstmatige materialen bepaalt. Het onderzoek is gerapporteerd in PNAS .

Als het water 100 °C bereikt, het gaat over in een gasfase, tenminste op zeeniveau. Door de luchtdruk weg te nemen, gaat water koken bij koudere temperaturen. Het is duidelijk dat materialen die bestaan ​​uit gewone moleculen een fase aannemen afhankelijk van temperatuur en druk. Leids theoretisch natuurkundige prof. Vincenzo Vitelli vroeg zich af wat er zou gebeuren als materialen in plaats daarvan zelfspinnende dimeren als bouwstenen zouden hebben.

Simulatie

Hiertoe, eerste auteurs Benny van Zuiden en Jayson Paulose simuleerden zelfdraaiende dimeren in silico en bestudeerden hoe ze zichzelf organiseren. Door een geleidelijk toenemende druk op hen uit te oefenen, ze zagen het systeem veranderen van een geordende toestand naar een zeer chaotische toestand.

Onderstaande figuur (links) toont een prachtig geordende staat, met dimeren die netjes een driehoekig kristalrooster vormen. Bovendien, de relatieve oriëntatie van nabijgelegen deeltjes wordt vergrendeld terwijl ze ronddraaien.

Rechts, de concentratie is zo hoog dat het systeem vast komt te zitten in een glazige fase. Opmerkelijk, er zit een vloeibare fase tussen. Gebruikelijk, een stof wordt vaster naarmate de dichtheid toeneemt. Hier, het tegenovergestelde gebeurt.

Vloeistof

Dus hoe kan er een vloeibare toestand zijn? Met een lage dichtheid, de dimers hebben voldoende ruimte om te bewegen zoals ze willen en blijven synchroon, als een groep toneeldansers. Als het podium te klein is, dansers zullen elkaar tegen het lijf lopen en chaotisch bewegen, als deeltjes in een vloeistof. Echter, als het podium zo klein wordt dat de dansers zich niet kunnen bewegen, ze komen vast te zitten in een ongeordende configuratie die doet denken aan een glas.