(Phys.org) -- Onderzoekers die kleine deeltjes in bruikbare geordende formaties proberen te drijven, hebben een onwaarschijnlijke bondgenoot gevonden:entropie, een neiging die over het algemeen wordt beschreven als 'stoornis'.

Computersimulaties door wetenschappers en ingenieurs van de Universiteit van Michigan tonen aan dat de eigenschap deeltjes kan aanstoten om georganiseerde structuren te vormen. Door vooraf de vormen van de deeltjes te analyseren, ze kunnen zelfs voorspellen welke soorten structuren zich zullen vormen.

De bevindingen, gepubliceerd in de editie van deze week van Wetenschap , helpen de basisregels te bepalen voor het maken van designermaterialen met wilde mogelijkheden, zoals van vorm veranderende skins om een ​​voertuig te camoufleren of de aerodynamica te optimaliseren.

Natuurkundige en professor in de chemische technologie Sharon Glotzer stelt voor dat dergelijke materialen kunnen worden ontworpen door achteruit te werken vanuit de gewenste eigenschappen om een ​​blauwdruk te genereren. Dat ontwerp kan dan worden gerealiseerd met nanodeeltjes - deeltjes die duizend keer kleiner zijn dan de breedte van een mensenhaar en die kunnen worden gecombineerd op manieren die alleen met gewone chemie onmogelijk zouden zijn.

Een van de grootste uitdagingen is het overtuigen van de nanodeeltjes om de beoogde structuren te creëren, maar recente studies door de groep van Glotzer en anderen toonden aan dat sommige eenvoudige deeltjesvormen dit spontaan doen als de deeltjes opeengepakt zijn. Het team vroeg zich af of andere deeltjesvormen hetzelfde zouden kunnen doen.

"We hebben 145 verschillende vormen bestudeerd, en dat gaf ons meer gegevens dan iemand ooit heeft gehad over dit soort potentiële kristalvormers, " Glotzer ZEI. "Met zoveel informatie, we zouden kunnen beginnen te zien hoeveel structuren er mogelijk zijn op basis van alleen de deeltjesvorm, en zoek naar trends."

Met behulp van computercode die is geschreven door onderzoeker op het gebied van chemische technologie, Michael Engel, student toegepaste natuurkunde Pablo Damasceno voerde duizenden virtuele experimenten uit, onderzoeken hoe elke vorm zich gedroeg onder verschillende niveaus van drukte. Het programma kan elke veelvlakkige vorm aan, zoals dobbelstenen met een willekeurig aantal zijden.

Aan hun lot overgelaten, drijvende deeltjes vinden de arrangementen met de hoogste entropie. Die opstelling komt overeen met het idee dat entropie een wanorde is als de deeltjes voldoende ruimte hebben:ze verspreiden zich, in willekeurige richtingen wijzen. Maar druk, de deeltjes begonnen kristalstructuren te vormen zoals atomen dat doen, ook al konden ze geen bindingen maken. Deze geordende kristallen moesten de hoge entropie-arrangementen zijn, te.

Glotzer legt uit dat dit niet echt wanorde is die orde schept - entropie heeft een update nodig. In plaats daarvan, ze beschrijft het als een maatstaf voor mogelijkheden. Als je de zwaartekracht zou kunnen uitschakelen en een zak vol dobbelstenen in een pot zou kunnen doen, de zwevende dobbelstenen zouden alle kanten op wijzen. Echter, als je dobbelstenen blijft toevoegen, uiteindelijk wordt de ruimte zo beperkt dat de dobbelstenen meer opties hebben om face-to-face uit te lijnen. Hetzelfde gebeurt met de nanodeeltjes, die zo klein zijn dat ze de invloed van entropie sterker voelen dan die van de zwaartekracht.

"Het draait allemaal om opties. In dit geval geordende arrangementen leveren de meeste mogelijkheden op, de meeste opties. Het is contra-intuïtief, om zeker te zijn, ' zei Glotzer.

De simulatieresultaten toonden aan dat bijna 70 procent van de geteste vormen kristalachtige structuren produceerden onder alleen entropie. Maar het schokkende was hoe ingewikkeld sommige van deze structuren waren, met tot 52 deeltjes die betrokken zijn bij het patroon dat zich door het kristal herhaalde.

"Dat is een buitengewoon complexe kristalstructuur, zelfs voor atomen om te vormen, laat staan ​​deeltjes die zich niet chemisch kunnen binden, ' zei Glotzer.

De deeltjesvormen produceerden drie kristaltypes:gewone kristallen zoals zout, vloeibare kristallen zoals gevonden in sommige flatscreen-tv's en plastic kristallen waarin deeltjes op hun plaats kunnen ronddraaien. Door de vorm van het deeltje te analyseren en hoe groepen ervan zich gedragen voordat ze kristalliseren, Damasceno zei dat het mogelijk is om te voorspellen welk type kristal de deeltjes zouden maken.

"De geometrie van de deeltjes zelf bevat het geheim voor hun assemblagegedrag, " hij zei.

Waarom de overige 30 procent nooit kristalstructuren heeft gevormd, blijven als een wanordelijke bril, is een mysterie.

"Deze willen misschien nog steeds kristallen vormen, maar zijn vastgelopen. Wat leuk is, is dat voor elk deeltje dat vastloopt, we hadden andere, vreselijk vergelijkbare vormen die kristallen vormen, ' zei Glotzer.

Naast het vinden van meer informatie over het coaxeren van nanodeeltjes in structuren, haar team zal ook proberen te ontdekken waarom sommige vormen zich verzetten tegen orde.