Het afstemmen van de materiaalstructuur op nanoschaalniveau kan heel moeilijk zijn - maar wat als we kleine deeltjes hadden, die zich helemaal zelf in elkaar zetten, de gewenste structuur creëren? Aan de Technische Universiteit Wenen (TU Wien), het fenomeen zelfassemblage wordt onderzocht door inhomogeen geladen deeltjes te bestuderen. Afhankelijk van verschillende parameters, ze kunnen gelachtige of kristalachtige structuren vormen. Dit soort zelfassemblage is veelbelovend voor nanotechnologie.

Microdeeltjes met speciaal gestructureerde oppervlakken

Emanuela Bianchi is een wetenschapper in de onderzoeksgroep van Prof. Gerhard Kahls aan het Instituut voor Theoretische Fysica van de Technische Universiteit van Wenen. In haar computersimulaties ze reproduceert het gedrag van deeltjes die niet groter zijn dan enkele micrometers – vergelijkbaar met virussen of kleine bacteriën. Ze is vooral geïnteresseerd in nanodeeltjes met een gecompliceerd oppervlak, bestaande uit verschillende soorten patches die worden onderscheiden door verschillende fysieke eigenschappen.

Recent werk (gefinancierd via een Elise Richter Fellowhip door de FWF) heeft zich gericht op deeltjes met inhomogeen geladen oppervlaktegebieden:het grootste deel van het deeltje draagt ​​een negatieve elektrische lading, maar de poolgebieden aan de boven- en onderkant van het deeltje zijn positief geladen. "Vanwege het feit dat gelijke ladingen elkaar afstoten terwijl tegengestelde ladingen elkaar aantrekken, " zegt Emanuela Bianchi, "onze deeltjes hebben de neiging om op zo'n manier op één lijn te komen dat de pool van het ene deeltje naar de evenaar van het andere wijst." Maar wanneer veel van deze deeltjes op elkaar inwerken, dingen worden ingewikkelder.

Computersimulaties hebben nu kunnen laten zien hoe deze deeltjes zich gedragen wanneer ze tussen twee vlakken gevangen zitten, zodat ze in quasi tweedimensionale structuren moeten worden uitgelijnd. De resultaten toonden aan dat er verschillende mogelijke configuraties zijn:soms zijn de deeltjes dicht opeengepakt in een eenvoudige zeshoekige structuur, wat bekend is van kristallen. Soms, minder geordende gelachtige structuren ontstaan, met onderling verbonden ringen van vijf of zes deeltjes.

"Met ons model we kunnen achterhalen welke parameters de opkomende structuur bepalen, ", zegt Emanuela Bianchi. Vooral de grootte van de positief geladen poolvlakken speelt een belangrijke rol. Bollen waarop de grens tussen negatieve en positieve lading op 45 graden noorderbreedte ligt, creëren veel meer geordende structuren dan deeltjes waarop deze grens dichter bij de pool ligt , op 60 graden. Het resultaat kan ook worden beïnvloed door het afstemmen van de elektrische lading van de vloerplaat waarop de deeltjes rusten – een parameter die in een experiment heel gemakkelijk te controleren is. Een dergelijke parameter regelt de grootte van de aggregaten en kan zelfs verantwoordelijk zijn voor een volledige onderdrukking van de deeltjesaggregatie.

Materialen met Taylor Made-eigenschappen

Het begrijpen van de zelfassemblage van microdeeltjes opent de deur naar het ontwerpen van deeltjes die automatisch op maat gemaakte structuren vormen. Afhankelijk van de microscopische uitlijning van de deeltjes, ze creëren oppervlaktetypes met verschillende dichtheden en verschillende reacties op externe stimuli (bijvoorbeeld elektromagnetische velden). Dit betekent dat zelf-geassembleerde structuren bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt om filters met instelbare porositeit te maken. "Vooral voor biomedische toepassingen, dit kan vele mogelijke toepassingen hebben, ' zegt Emanuela Bianchi.