Meerdere paar schoenen in een vakantiekoffer proppen, ze in verschillende opstellingen draaien en omdraaien om elk paar nodig te hebben, is een bekend optimalisatieprobleem waarmee gehaaste reizigers worden geconfronteerd. Ditzelfde probleem is bekend bij ingenieurs:als ze een aantal objecten met een bepaalde vorm krijgen, hoe kunnen ze dan in een container worden verpakt? En welk patroon zal die verpakking vormen?

In tegenstelling tot de inhoud van een koffer, kan de manier waarop microscopisch kleine deeltjes samengepakt worden gebruikt worden om de eigenschappen van de materialen die ze vormen te ontwikkelen; bijvoorbeeld hoe licht of elektriciteit zich voortplant. Materiaalwetenschappers hebben lang bestudeerd hoe het samenstellen van deeltjes in een besloten ruimte kan worden gebruikt als een hulpmiddel om materialen nieuwe mogelijkheden te geven, maar hoe deeltjes met unieke vormen interageren met een barrière blijft slecht begrepen.

Een nieuwe studie door onderzoekers van het Department of Materials Science and Engineering van de Cornell University gebruikte computersimulaties om te laten zien hoe de assemblage van vertex-afgeknotte tetraëders - een deeltjesvorm met vier zeshoekige vlakken en vier driehoekige vlakken - wordt beïnvloed wanneer deze wordt opgesloten in een bolvormige container. De bevindingen, gepubliceerd in het tijdschrift Soft Matter , bieden materiaalwetenschappers een nieuwe methode voor het controleren van de assemblagestructuur en kenmerken van het resulterende materiaal.

"Vroeger deden theoretici voornamelijk simulaties met bollen omdat de meeste deeltjes ruwweg bolvormig zijn, en rekenkundig was dat het gemakkelijkst", zegt Rachael Skye, promovendus en eerste auteur van de studie, "maar experimentatoren blijven spannende manieren bedenken om vorm te controleren en nu kunnen ze colloïdale deeltjes maken zoals tetraëders, octaëders of kubussen. Met geavanceerde rekenkracht kunnen we deze vormen simuleren, maar ook verder gaan en voorspellen wat nieuwe, nog niet gesynthetiseerde deeltjes zouden kunnen doen.'

Om de kenniskloof te dichten in hoe deze deeltjesvormen in opsluiting samenkomen, simuleerden Skye en de senior auteur van het onderzoek, Julia Dshemuchadse, assistent-professor materiaalkunde en engineering, tetraëdrische deeltjesassemblages in bolvormige containers. Elk bevatte slechts vier deeltjes en maar liefst 10.000. In elke simulatie zou de container zoveel mogelijk krimpen met het geprogrammeerde aantal deeltjes erin.

"Deze simulatie bootst na hoe sommige colloïdale materialen worden geproduceerd, met deeltjes die in een vloeistofdruppel worden geplaatst die samentrekt als deze verdampt", zei Dshemuchadse.

Deze deeltjes kunnen op een aantal manieren in elkaar passen, maar er zijn twee verschillende motieven:uitgelijnd, met zeshoekige vlakken naast elkaar, of anti-uitgelijnd, met een zeshoekig vlak naast een driehoekig vlak. Elk motief drijft een algemene structuur aan die zich op een andere manier aan de randen van de containers aanpast.

"Als je deze niet-uitgelijnde deeltjes hebt, dan kun je heel goed platte lagen vormen en oneindig breed stapelen, waardoor een echt goed kristal ontstaat", zei Dshemuchadse, die eraan toevoegde dat dit motief de voorkeur heeft bij het simuleren van grote aantallen deeltjes, omdat de grotere container grootte heeft een kleinere kromming, "maar als je de deeltjes uitgelijnd hebt, kan de structuur een gebogen motief vormen dat beter in een bolvormige schaal past. Bij kleine aantallen deeltjes heeft het uitgelijnde motief de voorkeur omdat de kleinere containers grote krommingen hebben."

De bevindingen bieden materiaalwetenschappers een methode om grote kristallen te laten groeien in systemen van deeltjes die normaal gesproken niet samenkomen in geordende structuren. Andere methoden om een ​​goed geordend kristal te bereiken, omvatten technieken zoals het "zaaien" van het materiaal met deeltjes die zijn beperkt in gespecialiseerde oriëntaties die de overeenkomstige structuur aandrijven, maar dergelijke methoden vereisen het fabriceren van nieuwe soorten deeltjes, wat minder eenvoudig zou zijn in een experimentele realisatie van deze systemen. Daarentegen is het vormen van kristallen op een vlak substraat vaak de norm, en deze studie wijst op hoe deze techniek de resulterende structuur ten goede kan komen.

"Colloïdale kristallen zijn meestal klein en bevatten veel defecten, maar om bruikbaar te zijn in de meeste toepassingen, moeten ze vrij groot en defectvrij zijn", zei Skye. "Het idee is dat je, door je container of muur correct te kiezen, een kristal kunt maken dat veel groter en van betere kwaliteit is dan je anders zou kunnen."

Skye voegde eraan toe dat in gebieden zoals plasmonica en fotonica, deze assemblagetechniek kan worden gebruikt om hetzelfde deeltje op twee verschillende manieren te oriënteren, waardoor ingenieurs apparaten kunnen maken die verschillende reacties hebben op basis van de gekozen assemblageformatie. + Verder verkennen

Bottom-up constructie met een 2D-twist kan nieuwe materialen opleveren