Metastabiele toestanden van zwevende kristallen

Een onderzoeksteam onder leiding van de GRASP – Group of Research and Applications in Statistical Physics – aan de Universiteit van Luik (België), demonstreert hoe de maaswijdte, vorm en symmetrie van zwevende kristallen te manipuleren door op een gecontroleerde manier te dwalen tussen hun metastabiele staten. Deze studie is gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten.

Systemen met meerdere deeltjes zijn van belang op verschillende gebieden van de natuurkunde. Hun structuur wordt bepaald door hun interacties. Vooral in de aanwezigheid van aantrekkelijke interacties hebben deze systemen de neiging zichzelf te assembleren, waardoor hun energie wordt geminimaliseerd. Dit fenomeen bestaat op alle schalen en regelt de vorming van moleculen en planetaire systemen. Afhankelijk van de complexiteit van de interacties kunnen deeltjes eenvoudige periodieke structuren (kristallen) vormen, of complexere zoals eiwitketens.

Magnetocapillaire interacties tussen deeltjes maken zelfassemblage van drijvende kristallen langs vloeistofinterfaces mogelijk. Voor een vast aantal deeltjes bestaan ​​naast elkaar verschillende toestanden met verschillende symmetrische kenmerken, genaamd metastabiele toestanden. Verschillende baanbrekende werken hebben het bestaan ​​van metastabiele toestanden in zwevende kristallen waargenomen.

Omdat verschillende staten naast elkaar bestaan, is het moeilijk om de vorming van specifieke structuren te beheersen. Het beheersen van de vorming van metastabiele toestanden is echter een belangrijk ingrediënt om dergelijke assemblages te functionaliseren, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor bijvoorbeeld zelfassemblerende microrobots. De manier om de toestand van een drijvend kristal te regelen is nog nooit eerder bestudeerd.

“Zelfassemblage heeft de aandacht getrokken van de academische wereld en de industrie vanwege het gebruik om kleine constructies te maken”, zegt Nicolas Vandewalle, hoogleraar natuurkunde en directeur van GRASP. “Sommige structuren zijn inderdaad te groot om door chemische synthese te worden bereid en te klein om met robotmethoden te worden geassembleerd. Met name de micrometer-millimeterschaal is meestal het knelpunt tussen standaard bottom-up en top-down fabricagemethoden.”

Een van de belangrijkste kenmerken van zelf-geassembleerde systemen is dat er door het hoge aantal vrijheidsgraden vaak meerdere lokale minima zijn naast de globale minimale energietoestand. Deze metastabiele toestanden kunnen op alle schalen worden waargenomen, op moleculair niveau, in colloïden, op mesoscopische schaal en op macroscopische schaal.

De belangstelling voor het exploiteren van deze metastabiele toestanden voor actieve structurering is recentelijk toegenomen. Daarom is een fundamentele vraag, die de onderzoekers in deze studie hebben behandeld, het definiëren van de voorwaarden voor het navigeren tussen de verschillende metastabiele toestanden.

“In de studie die we zojuist hebben gepubliceerd”, zegt Ylona Collard, een onderzoeker bij GRASP en eerste auteur van het artikel, “bestudeerden we magnetocapillaire zelfassemblages bestaande uit 3 tot 19 deeltjes. Voor een vast aantal deeltjes waaruit de assemblage bestaat, zijn verschillende verschillende staten naast elkaar bestaan, onderscheiden door hun vorm, maaswijdte en symmetrie.”

De onderzoekers stelden twee verschillende, maar complementaire, experimentele technieken voor om op een gecontroleerde manier tussen deze verschillende toestanden te navigeren. De eerste maakte een verandering van toestand mogelijk voor een vast aantal deeltjes. Dit wordt bereikt door een horizontaal magnetisch veld aan te leggen dat een vervorming van het geheel veroorzaakt.

Na ontspanning zal het samenstel met een zekere waarschijnlijkheid van toestand zijn veranderd. De tweede techniek regelt de groei van een assemblage door de gewenste toestand te kiezen voor een assemblage van N (aantal) + 1 kralen uit een assemblage van N kralen. Een infraroodlaser wordt op het wateroppervlak aangebracht om thermocapillaire fluxen te genereren, waardoor de baan van de nieuwe kraal die aan het systeem wordt toegevoegd, wordt gecontroleerd.

“Er zijn modellen voorgesteld om de frequentie van voorkomen van de verschillende toestanden van een assemblage bij de oprichting ervan te bestuderen,” legt Nicolas Vandewalle uit, “en om de twee experimentele technieken te modelleren. De simulaties komen zeer goed overeen met de experimentele resultaten. Een analogie tussen deze magnetocapillaire assemblages, die kunnen worden verkleind tot een kleinere schaal, en colloïdale kristallen is voorgesteld om de perspectieven van dit werk te verbreden.”

Dit werk is inderdaad relevant voor de fabricage van microscopische structuren zoals elektronische schakelingen, microrobots of nieuwe materialen met nieuwe fysieke eigenschappen.