De structuur van ‘vuurijs’ maken met nanodeeltjes

Kooistructuren gemaakt met nanodeeltjes kunnen een manier zijn om georganiseerde nanostructuren te maken met gemengde materialen, en onderzoekers van de Universiteit van Michigan hebben laten zien hoe dit kan worden bereikt door middel van computersimulaties.

De bevinding kan nieuwe wegen openen voor fotonische materialen die licht manipuleren op manieren die natuurlijke kristallen niet kunnen. Het toonde ook een ongewoon effect dat het team entropiecompartimentering noemt.

“We ontwikkelen nieuwe manieren om materie over schalen te structureren, ontdekken de mogelijkheden en welke krachten we kunnen gebruiken”, zegt Sharon Glotzer, de Anthony C. Lembke Department Chair of Chemical Engineering, die de studie leidde die vandaag is gepubliceerd in Natuur chemie. “Entropische krachten kunnen nog complexere kristallen stabiliseren dan we dachten.”

Hoewel entropie vaak wordt uitgelegd als wanorde in een systeem, weerspiegelt het nauwkeuriger de neiging van het systeem om zijn mogelijke toestanden te maximaliseren. Vaak eindigt dit als wanorde in de informele zin van het woord. Zuurstofmoleculen kruipen niet samen in een hoek – ze verspreiden zich om een ​​kamer te vullen. Maar als je ze in de juiste maatdoos stopt, ordenen ze zich vanzelf tot een herkenbare structuur.

Nanodeeltjes doen hetzelfde. Eerder had het team van Glotzer aangetoond dat bipiramidedeeltjes – zoals twee korte, driezijdige piramides die aan hun basis aan elkaar zijn geplakt – structuren zullen vormen die lijken op die van vuurijs als je ze in een voldoende kleine doos stopt. Vuurijs is gemaakt van watermoleculen die kooien rond methaan vormen, en het kan tegelijkertijd branden en smelten.

Deze stof komt in overvloed voor onder de oceaanbodem en is een voorbeeld van een clathraat. Clathraatstructuren worden onderzocht voor een reeks toepassingen, zoals het opvangen en verwijderen van koolstofdioxide uit de atmosfeer.

In tegenstelling tot waterclathraten hadden eerdere clathraatstructuren van nanodeeltjes geen gaten om te vullen met andere materialen die nieuwe en interessante mogelijkheden zouden kunnen bieden om de eigenschappen van de structuur te veranderen. Daar wilde het team verandering in brengen.

“Deze keer hebben we onderzocht wat er gebeurt als we de vorm van het deeltje veranderen. We redeneerden dat als we het deeltje een beetje inkorten, er ruimte zou ontstaan ​​in de kooi die wordt gemaakt door de bipiramidedeeltjes”, zegt Sangmin Lee, een recent afgestudeerde. in chemische technologie en eerste auteur van het artikel.

Hij haalde de drie centrale hoeken van elke bipiramide en ontdekte de goede plek waar ruimtes in de structuur verschenen, maar de zijkanten van de piramides waren nog intact genoeg om ze niet op een andere manier te organiseren. De ruimtes vulden zich met meer afgeknotte bipiramides toen ze het enige deeltje in het systeem waren. Toen een tweede vorm werd toegevoegd, werd die vorm het gevangen gastdeeltje.

Glotzer heeft ideeën voor het creëren van selectief kleverige zijkanten waardoor verschillende materialen als kooi en gastdeeltjes kunnen fungeren, maar in dit geval was er geen lijm die de bipiramides bij elkaar hield. In plaats daarvan werd de structuur volledig gestabiliseerd door entropie.

“Wat echt fascinerend is, kijkend naar de simulaties, is dat het gastheernetwerk bijna bevroren is. De gastheerdeeltjes bewegen, maar ze bewegen allemaal samen als een enkel, rigide object, wat precies is wat er gebeurt met waterclathrates, ” zei Glotzer. “Maar de gastdeeltjes draaien als een gek rond – alsof het systeem alle entropie in de gastdeeltjes heeft gedumpt.”

Dit was het systeem met de meeste vrijheidsgraden dat de afgeknotte bipiramides in een beperkte ruimte konden bouwen, maar bijna alle vrijheid behoorde toe aan de gastdeeltjes. Methaan in waterclathraten roteert ook, zeggen de onderzoekers. Wat meer is, toen ze de gastdeeltjes verwijderden, gooide de structuur bipiramides die deel uitmaakten van de genetwerkte kooistructuur in de binnenkant van de kooi – het was belangrijker om draaiende deeltjes beschikbaar te hebben om de entropie te maximaliseren dan om volledige kooien te hebben.

“Entropiecompartimentering. Is dat niet cool? Ik wed dat dat ook in andere systemen gebeurt – niet alleen clathraten, ” zei Glotzer.