Entropie, een fysieke eigenschap die vaak wordt uitgelegd als 'wanorde', wordt onthuld als een schepper van orde met een nieuwe bindingstheorie die is ontwikkeld aan de Universiteit van Michigan en gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences .

Ingenieurs dromen ervan nanodeeltjes te gebruiken om designermaterialen te bouwen, en de nieuwe theorie kan helpen bij de pogingen om nanodeeltjes samen te voegen tot bruikbare structuren. De theorie verklaart eerdere resultaten die de vorming van kristalstructuren door ruimtebeperkte nanodeeltjes onderzoeken, waardoor entropie kan worden gekwantificeerd en gebruikt in toekomstige inspanningen.

En merkwaardig genoeg weerspiegelt de reeks vergelijkingen die de interacties van nanodeeltjes als gevolg van entropie regelen, de vergelijkingen die chemische binding beschrijven. Sharon Glotzer, de Anthony C. Lembke Department Chair of Chemical Engineering, en Thi Vo, een postdoctoraal onderzoeker in de chemische technologie, beantwoordden enkele vragen over hun nieuwe theorie.

Wat is entropische binding?

Glotzer:"Entropische binding is een manier om uit te leggen hoe nanodeeltjes op elkaar inwerken om kristalstructuren te vormen. Het is analoog aan de chemische bindingen die door atomen worden gevormd. Maar in tegenstelling tot atomen zijn er geen elektroneninteracties die deze nanodeeltjes bij elkaar houden. In plaats daarvan ontstaat de aantrekkingskracht door entropie."

"Vaak wordt entropie geassocieerd met wanorde, maar het gaat echt om opties. Wanneer nanodeeltjes opeengepakt zijn en de opties beperkt zijn, blijkt de meest waarschijnlijke rangschikking van nanodeeltjes een bepaalde kristalstructuur te zijn. Die structuur geeft het systeem de meeste opties , en dus de hoogste entropie. Grote entropische krachten ontstaan ​​wanneer de deeltjes dicht bij elkaar komen."

"Door de meest uitgebreide studies te doen naar deeltjesvormen en de kristallen die ze vormen, ontdekte mijn groep dat als je de vorm verandert, je de directionaliteit verandert van die entropische krachten die de vorming van deze kristalstructuren leiden. Die directionaliteit simuleert een binding, en omdat het wordt aangedreven door entropie, noemen we het entropische binding."

Waarom is dit belangrijk?

Glotzer:"De bijdrage van Entropy aan het scheppen van orde wordt vaak over het hoofd gezien bij het ontwerpen van nanodeeltjes voor zelfassemblage, maar dat is een vergissing. Als entropie je systeem helpt zichzelf te organiseren, hoef je misschien geen expliciete aantrekkingskracht tussen deeltjes te ontwikkelen, bijvoorbeeld met behulp van DNA of andere kleverige moleculen - met een net zo sterke interactie als je dacht. Met onze nieuwe theorie kunnen we de sterkte van die entropische bindingen berekenen."

"Hoewel we wisten dat entropische interacties directionele bindingen kunnen zijn, is onze doorbraak dat we die bindingen kunnen beschrijven met een theorie die regel voor regel overeenkomt met de theorie die je zou opschrijven voor elektroneninteracties in echte chemische bindingen. diepgaand. Ik ben verbaasd dat het zelfs mogelijk is om dat te doen. Wiskundig gezien plaatst het chemische bindingen en entropische bindingen op dezelfde voet. Dit is zowel fundamenteel belangrijk voor ons begrip van materie als praktisch belangrijk voor het maken van nieuwe materialen. "

Elektronen zijn echter de sleutel tot die chemische vergelijkingen. Hoe deed je dit als er geen deeltjes de interacties tussen je nanodeeltjes bemiddelen?

Glotzer:"Entropie is gerelateerd aan de vrije ruimte in het systeem, maar jarenlang wist ik niet hoe ik die ruimte moest tellen. Dit grote inzicht was dat we die ruimte konden tellen met behulp van fictieve puntdeeltjes. En dat gaf ons de wiskundige analogie van de elektronen."

Vo:"De pseudodeeltjes bewegen door het systeem en vullen de ruimtes die moeilijk te vullen zijn voor een ander nanodeeltje - we noemen dit het uitgesloten volume rond elk nanodeeltje. Naarmate de nanodeeltjes meer geordend worden, wordt het uitgesloten volume eromheen kleiner, en de concentratie van pseudodeeltjes in die regio's neemt toe. De entropische bindingen zijn waar die concentratie het hoogst is."

"In drukke omstandigheden wordt de entropie die verloren gaat door de volgorde te vergroten, gecompenseerd door de entropie die wordt verkregen door het uitgesloten volume te verkleinen. Als gevolg hiervan zal de configuratie met de hoogste entropie degene zijn waar pseudodeeltjes de minste ruimte innemen." + Verder verkennen

Studie onthult hoe symmetrie in colloïdale kristallen kan worden doorbroken