Driedimensionale vormen vullen de fysieke ruimte op een bepaalde manier. Als je knikkers in een pot giet, de knikkers zullen willekeurig in de pot worden verpakt. Als je elke knikker zorgvuldig hebt geplaatst, laag voor laag in de pot zodat de knikkers in één laag in de spleten tussen knikkers op de laag eronder zitten, je kunt een paar knikkers meer in de pot doen dan wanneer deze willekeurig was verpakt. Dit geeft u de verpakking met de hoogste dichtheid, of de minste hoeveelheid ruimte tussen deeltjes.

Linus Pauling paste dit idee van pakkingsdichtheid toe op ionen, en stelde voor dat verpakkingsprincipes leiden tot de vorming van kristalstructuren. De natuur houdt niet van lege ruimte, dus deeltjes moeten in de hoogste dichtheid of dicht opeengepakte formatie worden verpakt. Op het gebied van materiaalkunde, colloïde kristallen en superroosters van nanodeeltjes vormen zich via zelfassemblage van kleine deeltjes waarbij de deeltjes een thermodynamisch stabiele structuur vormen. De structuren die nanodeeltjes vormen, zijn vaak die gevonden in conventionele metalen:face-centered cubic, eenvoudig kubiek, en lichaamsgecentreerd kubisch.

De theorie is dat verpakkingsprincipes de zelfassemblage van colloïdale kristallen leiden. Echter, onderzoekers van de Universiteit van Michigan hebben aangetoond dat het ordeningsmechanisme voor colloïde kristallen dat niet doet oorzaak deeltjes om zelf te assembleren. In plaats daarvan zijn kristalassemblage en verpakking gecorreleerd, niet causaal. Verder, ze laten zien dat verpakkingsprincipes misschien niet het beste voorspellingsinstrument zijn voor de vorm van colloïdale kristallen. Hun werk verschijnt in De werkzaamheden van de National Academy of Sciences .

Bij zelfmontage, een thermodynamisch stabiele structuur wordt gevormd. Deze structuur minimaliseert vrije energie. Voor colloïden, dit gebeurt vaak wanneer de entropie maximaal is. Echter, bij het bestuderen van de mechanismen die zelfassemblage begeleiden, onderzoekers kijken naar wat er gebeurt onder extreme omstandigheden. Bij zeer hoge druk, in plaats van de entropie te maximaliseren, harde deeltjes zullen de dichtheid maximaliseren.

Om de fundamentele vraag te onderzoeken of verpakkingsprincipes zelfassemblage leiden, Cersonski, et al. gebruikte modelleringsmethoden om drie verschillende dichtheidstermen te vergelijken. De eerste is de zelfassemblagedichtheid, wat de laagste dichtheid is waarbij zelfassemblage wordt waargenomen. De tweede is de pakkingsaanvangsdichtheid. Zoals de naam impliceert, dit is de laagste dichtheid waarbij pakkingsgedrag wordt waargenomen. De derde term is de willekeurige dichte pakkingsdichtheid, dat is de maximale dichtheid dat het systeem kan worden gevonden in een ongeordende toestand.

Als we kijken naar wiskundige modellen bij zeer hoge drukken (d.w.z. oneindige druk), er moet een grens zijn waar deeltjes worden verpakt. De auteurs hebben deze grens getest met behulp van Maxwell-relaties om de dichtheid van het begin van de pakking te definiëren. Als de zelfassemblagedichtheid ongeveer gelijk is aan de pakkingaanvangsdichtheid, dan is verpakking waarschijnlijk leidend voor zelfassemblage. Echter, als de zelfassemblagedichtheid kleiner is dan de pakkingsdichtheid, dan begeleidt iets anders dan de verpakkingsregels de zelfmontage. Verder, pakkingsdichtheid wordt vergeleken met de willekeurige dichte pakkingsdichtheid.

Cersonsky et al. ontdekten dat in alle polyedrische systemen die ze bestudeerden (FCC, SC, en BCC) was de pakkingsdichtheid groter dan de willekeurige dichte pakkingsdichtheid, die groter was dan de minimale dichtheid voor zelfmontage. Dit resultaat laat zien dat er geen spontane bestelling ontstaat vanwege een verpakkingsmechanisme en dat deze systemen niet per verpakking kunnen worden besteld. Met andere woorden, pakkingsregels zijn niet noodzakelijkerwijs voorspellend voor de ideale vormen voor zelfassemblage, hoewel de dichte pakkingstructuur de thermodynamisch meest stabiele structuur is.

Dit artikel keek naar nanodeeltjes die niet beperkt waren. Volgens Greg van Anders, assistent-professor natuurkunde en co-auteur van het artikel, "We hadden verwacht dat we zouden ontdekken dat colloïden per verpakking zouden bestellen. we ontdekten dat ze dat niet doen. Dit is vooral verrassend omdat deeltjes niet samenpakken, zelfs niet als de structuren die ze vormen zogenaamde 'close-packed' structuren zijn."

Meestal in de materiaalkunde, verpakkingsregels worden gebruikt om de optimale vorm voor een nanostructuur te voorspellen, maar gezien deze resultaten, de vraag wordt of en wanneer, verpakkingsregels kunnen worden gebruikt om de thermodynamisch optimale vorm voor zelfassemblage te voorspellen.

Er is nog steeds enige correlatie tussen pakkingvorm en optimale deeltjesvorm, en daarom, verpakkingsvorm kan nuttig zijn bij het begeleiden van voorspellingen, maar ideale verpakkingsvormen zouden niet het doel moeten zijn bij het assembleren van nanostructuren. Dr. van Anders wijst erop dat dit eigenlijk goed nieuws is voor mensen die polyedrische nanodeeltjes proberen te synthetiseren die zichzelf assembleren tot nanostructuren:

"Nadat we ontdekten dat het mechanisme dat de vorming van structuur aanstuurt, niet aan het inpakken is, realiseerden we ons dat dit zou kunnen betekenen dat perfect gevormde deeltjes, die het dichtst ingepakt zijn, maar kan technisch uitdagend en duur zijn om te maken, misschien niet de ideale vorm voor doelstructuren."

© 2018 Fys.org