Microscopisch kleine deeltjes kunnen zichzelf spontaan assembleren tot complexe gelaagde structuren met opmerkelijke eigenschappen, volgens berekeningen uitgevoerd aan de TU Wien.

Er zijn veel manieren om nieuwe, innovatieve materialen. Een van de meest interessante is een proces waarbij kleine deeltjes zichzelf assembleren om complexe structuren te vormen. Dit proces, aangeduid als "zelforganisatie, " opent een aantal opmerkelijke kansen, zoals nu is aangetoond door computersimulaties uitgevoerd aan de TU Wien. Eenvoudige macromoleculen kunnen gelaagde systemen vormen die tegelijkertijd vast en vloeibaar kunnen zijn binnen een breed temperatuurbereik.

Weerzinwekkende en aantrekkelijke tarieven

"Het basisconcept is er een dat in de natuur op grote schaal wordt geëxploiteerd, " legt professor Gerhard Kahl van het Instituut voor Theoretische Fysica van de TU Wien uit. "Virussen en bacteriën vertonen vaak oppervlakteladingen. Dit betekent dat ze elkaar aantrekken of afstoten, afhankelijk van het soort lading dat ze dragen. Als resultaat, selectieve binding kan optreden tussen deze entiteiten, waardoor ze zichzelf kunnen assembleren tot interessante, functionele structuren."

Een soortgelijk proces is ook mogelijk met door de mens gemaakte deeltjes – bijvoorbeeld kleine (colloïdale) bolletjes waarop een positieve elektrische lading wordt aangebracht op twee tegenover elkaar liggende oppervlaktegebieden. Als de omgevingsomstandigheden geschikt zijn, dergelijke deeltjes kunnen zichzelf assembleren om een ​​tweedimensionale laag te vormen. De deeltjes worden dan stevig opeengepakt, het vormen van een zeshoekig patroon, met de geladen oppervlaktegebieden van de deeltjes uitgelijnd zodat ze sterke aantrekkelijke bindingen vormen. Dit hechtpatroon maakt de laag extreem stabiel.

Zoals Emanuela Bianchi en Silvano Ferrari van de werkgroep van Gerhard Kahl hebben aangetoond, hierdoor kan een interessant fenomeen optreden, namelijk dat meerdere van dergelijke lagen dan gelijktijdig kunnen samenvoegen. Extra deeltjes kunnen dan posities tussen de lagen innemen, sterke bindingen tussen deze laag tot stand brengen. Deze bindingsdeeltjes fixeren de lagen op hun plaats, wat betekent dat ze niet langer ten opzichte van elkaar kunnen verschuiven; dus een stabiele meerlaagse structuur wordt volledig autonoom gevormd door zelforganisatie van toevallige voorbijgaande deeltjes.

Zowel vast als vloeibaar:de mini chocoladewafel

De speciale kenmerken van deze structuren worden duidelijk wanneer de temperatuur wordt verhoogd:"De bindingen binnen de afzonderlijke lagen zijn veel sterker dan de bindingen tussen de lagen, " legt Gerhard Kahl uit. "Als de temperatuur wordt verhoogd, het zijn de zwakkere bindingen tussen de lagen die het eerst breken; de deeltjes kunnen dan vrij bewegen als vloeistof terwijl de lagen zelf stabiel blijven." Dit effect is vergelijkbaar met een chocoladewafel in de zomerhitte, met vloeibare chocolade ingeklemd tussen vaste, stabiele wafellagen. "Dit is een opmerkelijk fenomeen. We hebben te maken met een uniek materiaal dat maar uit één soort deeltjes bestaat, toch een structuur kunnen vormen die tegelijkertijd zowel vaste als vloeibare lagen omvat."

Dit scenario kan worden waargenomen over een breed temperatuurbereik; alleen wanneer de temperatuur zo hoog is dat zelfs de stabiele bindingen binnen de afzonderlijke lagen worden verbroken, valt de structuur uit elkaar en smelt volledig. Tot dan, het systeem vertoont een uitzonderlijk vermogen tot zelfgenezing:zelfs wanneer het beschadigd is, het wordt al snel automatisch gerepareerd door willekeurig passerende deeltjes.

Er zijn al experimenten gestart om de mogelijke toepassingen van deze nieuwe ideeën te testen. Er zijn veel mogelijke toepassingen voor dit soort constructies. "Zulke structuren zouden ons in staat stellen om het transport van deeltjes nauwkeurig te regelen via subtiele temperatuurveranderingen, " zegt Gerhard Kahl. Dit zou in de geneeskunde kunnen worden gebruikt, bijvoorbeeld, om medicatie naar precies de juiste plaats in het lichaam te transporteren.