(Phys.org) -- Veel recente ontwikkelingen in microtechnologie en nanotechnologie zijn afhankelijk van microscopisch kleine bolvormige deeltjes die zichzelf assembleren tot grootschalige aggregaten om een ​​relatief beperkt aantal kristallijne structuren te vormen. Gerichte montage is een nieuwe tak van dit vakgebied, waar wetenschappers uitzoeken hoe ze deeltjes kunnen laten assembleren om een ​​breed scala aan structuren op bepaalde locaties te vormen.

Huidige technieken voor gerichte montage gebruiken typisch een toegepast veld, zoals een elektrisch of magnetisch veld, om deeltjes te verplaatsen en ze samen te voegen tot goed gedefinieerde structuren. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania hebben een eenvoudige nieuwe methode geïdentificeerd om de assemblage van deeltjes te sturen, alleen gebaseerd op oppervlaktespanning en deeltjesvorm.

Het onderzoek, onder leiding van Kathleen J. Stebe, hoogleraar bij de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering en de plaatsvervangend decaan voor onderzoek van de school, werd uitgevoerd door een team van onderzoekers in haar laboratorium, Marcello Cavallaro Jr., Lorenzo Botto, Eric P. Lewandowski en Marisa Wang. Het werd gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

Hun resultaten zijn gebaseerd op het simpele feit dat een vloeistofoppervlak de neiging heeft om het oppervlak te minimaliseren.

"Het is dezelfde reden waarom oppervlaktespanning ervoor zorgt dat een druppel water een bol wil zijn, ' zei Stebe. "Maar we kunnen dat fenomeen afstemmen om verbazingwekkende dingen te doen."

Zelf-assemblerende bolvormige deeltjes zijn gebruikt om nieuwe materialen te maken met unieke optische en mechanische eigenschappen, maar niet-sferisch, of anisotroop, deeltjes kunnen een nog grotere belofte inhouden. Door een definieerbare directionaliteit te hebben, de eigenschappen van de materialen waaruit de deeltjes bestaan, kunnen worden gewijzigd op basis van hun oriëntaties.

In de studie, Het laboratorium van Stebe gebruikte cilindrische deeltjes gemaakt van een gewoon polymeer. Wanneer geplaatst op het oppervlak van een dunne film van water, de cilinders produceren een zadelvormige vervorming:het wateroppervlak zakt aan elk uiteinde van een deeltje en stijgt langs hun zijkanten.

Het Stebe-lab had eerder aangetoond dat deze zadelvorm kan worden gebruikt om twee cilindrische deeltjes end-to-end te oriënteren. Als de depressies aan hun uiteinden met elkaar in contact komen, oppervlaktespanning zorgt ervoor dat het gebied van de ruimte ertussen samentrekt, het samenbrengen van de uiteinden.

In de nieuwe studie in plaats van twee deeltjes die op elkaar inwerken, deeltjes interageren met een stationaire paal. De paal steekt door het wateroppervlak, waardoor het oppervlak eromheen omhoog buigt. De interactie tussen de vervorming van een deeltje en deze curve wordt bepaald door hetzelfde fenomeen van oppervlaktespanning als in de eerdere studie; de deeltjes bewegen om het oppervlak zo klein mogelijk te maken.

“Dit betekent dat zodra de deeltjes het wateroppervlak raken, ze veranderen hun uitlijning en beginnen snel bergopwaarts naar de paal te gaan, ' zei Cavallaro. "We waren ook in staat om de lijnen te voorspellen die ze zouden afleggen voor drie verschillende postvormen."

Door de dwarsdoorsnede van de palen te veranderen, de onderzoekers waren in staat om fijne controle te tonen over hoe de deeltjes bewogen en georiënteerd. Een cirkelvormige paal trok deeltjes aan in rechte lijnen, terwijl een elliptische paal deeltjes naar de langwerpige uiteinden trok. Een vierkante paal produceerde het meest complexe gedrag, deeltjes sterk naar de hoeken trekken, de zijkanten open laten.

De keuze van het laboratorium voor de vorm en het materiaal van de deeltjes was alleen bedoeld om de onderzoekers te helpen de oriëntatie en positie van de deeltjes te observeren; elk niet-sferisch deeltje, op elk vloeistof-vloeistof of vloeistof-damp oppervlak, zouden worden beheerst door dezelfde principes en hetzelfde type vervorming veroorzaken. Dat maakt dit onderzoek bijzonder krachtig:het hangt er niet van af of het deeltje een bepaalde vorm heeft of van een bepaald materiaal is gemaakt.

Oppervlakken bezaaid met strategisch geplaatste en gevormde palen kunnen deeltjes in bijna elke configuratie leiden en oriënteren. En omdat het mechanisme achter de beweging van de deeltjes simpelweg de oppervlaktekromming is, hun beweging zou kunnen worden "geprogrammeerd" door de opstelling van de posten of de vorm van de interface te veranderen.

“Ik zou met naald naar binnen kunnen gaan, bijvoorbeeld, en dynamisch het oppervlak op verschillende locaties omhoog trekken, of in verschillende tijden, ' zei Stebe.

“Heel vaak als we denken aan het gebruik van micro- of nanotechnologie, we denken niet aan eigenschappen op die kleine schaal:het wordt de georganiseerde structuur gemaakt van micro- of nanodeeltjes die nuttig zal zijn, misschien als een lens of een slim oppervlak, ' zei ze. “Dit fenomeen zou kunnen worden gebruikt om nieuwe structuren te maken door deeltjes naar bepaalde locaties te sturen. We kunnen paden definiëren en zeggen 'hier is een aanlegplaats:ga daarheen' of 'hier is een plek waar we niets willen; ga daar niet heen.'

“Dit is een duidelijke demonstratie van gerichte montage. Zoals zelfmontage, dingen komen van onderop samen, maar hier komen ze precies samen waar we ze willen hebben.”