In werk dat materiaalontwerp op zijn kop zet, onderzoekers hebben met computersimulaties aangetoond dat ze een kristal kunnen ontwerpen en achteruit kunnen werken naar de deeltjesvorm die zichzelf zal assembleren om het te creëren.

Het zou kunnen leiden tot een nieuwe klasse van materialen, zoals kristalcoatings die kleuren produceren die nooit vervagen.

"Deze resultaten zetten materiaalontwerp en ons begrip van entropie op hun kop, " zei Sharon Glotzer, de Anthony C. Lembke Department Chair of Chemical Engineering aan de University of Michigan en senior auteur op het papier in wetenschappelijke vooruitgang .

Materialen met echt nieuwe eigenschappen moeten meestal per ongeluk worden ontdekt. Bijvoorbeeld, er was een speels experiment met cellofaantape en een klomp grafiet nodig om grafeen in 2004 te ontdekken - nu een Nobelprijswinnend wondermateriaal vanwege zijn combinatie van kracht, flexibiliteit, transparantie en geleidbaarheid.

In plaats van te wachten op serendipiteit, materiaalwetenschappers willen een wondermateriaal bedenken en dan uitzoeken hoe ze het kunnen maken. Het is deze 'omgekeerde' benadering van het ontwerpen van materialen - achteruit werkend vanuit de gewenste eigenschappen - die het team 'digitale alchemie' noemt.

"Het stelt ons echt in staat om ons te concentreren op het resultaat en gebruik te maken van wat we weten om een ​​startpunt te vinden voor het bouwen van dat materiaal, " zei Greg van Anders, een corresponderende auteur op het papier en een assistent-professor natuurkunde aan de Queen's University in Kingston, Ontario. Het onderzoek is gedaan terwijl hij eerder bij U-M was.

Glotzer is een leider in het bestuderen van hoe nanodeeltjes zichzelf assembleren door het verrassende mechanisme van entropie. Hoewel entropie vaak wordt gezien als een maat voor wanorde, Het team van Glotzer gebruikt het om geordende kristallen van deeltjes te maken. Ze kunnen dit doen omdat entropie niet echt wanorde is, maar liever, het is een maatstaf voor hoe vrij het systeem is. Als de deeltjes veel ruimte hadden, ze zouden eroverheen worden verdeeld en willekeurig worden georiënteerd - de verzameling deeltjes heeft de meeste vrijheid wanneer de individuele deeltjes de meeste vrijheid hebben.

Maar in de systemen waar Glotzer zich op richt, de deeltjes hebben niet veel ruimte. Als ze willekeurig georiënteerd zijn, de meesten van hen zullen worden opgesloten. Het systeem van deeltjes is het meest vrij als de deeltjes zichzelf organiseren in een kristalstructuur. De natuurkunde vereist dit, en de deeltjes gehoorzamen.

Afhankelijk van de deeltjesvorm, Glotzer's team en anderen hebben laten zien hoe je een verscheidenheid aan interessante kristallen kunt krijgen - sommige lijken op zoutkristallen of de atoomroosters in metalen, en sommige schijnbaar nieuwe (zoals "quasikristallen, " die geen herhaald patroon hebben). In het verleden, ze hebben dit op de gebruikelijke manier gedaan door een deeltjesvorm te kiezen en het kristal te simuleren dat het zou maken. Ze hebben jarenlang de ontwerpregels ontdekt waarmee deeltjes van bepaalde vormen bepaalde kristallen kunnen bouwen.

Nutsvoorzieningen, ze hebben het omgedraaid zodat ze een kristalstructuur in hun nieuwe programma kunnen pluggen, en het geeft ze een deeltjesvorm die het zal bouwen. Door de vraag te herformuleren van "Welk kristal zal deze vorm maken?" tot "Zal deze vorm mijn kristal maken?" - het team onderzocht meer dan 100 miljoen verschillende vormen in het onderzoek.

"Op één dag, op een gewone computer, we in staat waren om meer verschillende soorten deeltjes te bestuderen dan er in het afgelopen decennium zijn gerapporteerd, ’ zei Van Anders.

Ze gebruikten de software om deeltjesvormen te identificeren voor het bouwen van vier gemeenschappelijke kristalroosters (eenvoudig kubisch, lichaamsgecentreerd kubisch, face-centered cubic en diamant) en twee meer complexe roosters (bèta-mangaan en bèta-wolfraam). Toen deze gelukt waren, ze probeerden een rooster dat in de natuur niet bekend is, een van hun eigen ontwerp - een variant van het kristal dat bekend staat als 'hexagonal close-packed'.

Het team verwacht dat experimentele nanowetenschappers deze kristallen kunnen maken door een batch deeltjes in de juiste vorm te produceren en toe te voegen aan een vloeistof. In de vloeistof, de nanodeeltjes zullen zichzelf assembleren. Zolang ze opgesloten blijven, ze zullen hun structuur behouden.

Dit zou kunnen leiden tot vooruitgang in door de mens gemaakte structurele kleuren, vergelijkbaar met hoe vlindervleugels hun schitterende tinten produceren door interactie met licht. In tegenstelling tot pigmenten, structurele kleur vervaagt niet. De kleur kan ook worden in- en uitgeschakeld met een mechanisme om de deeltjes op te sluiten zodat ze het kristal vormen of ze ruimte te geven zodat het kristal uit elkaar valt.

Dit onderzoek wordt gerapporteerd in wetenschappelijke vooruitgang in een paper getiteld "Engineering entropy for the inverse design of colloidal crystals from hard shapes."