Nieuw model breidt de theorie van patroonvorming uit naar de nanokosmos

Een nieuw model ontwikkeld door wetenschappers van het Max Planck Instituut voor Dynamica en Zelforganisatie (MPI-DS) breidt de theorie van elastische fasescheiding uit naar nanoscopische structuren. Dergelijke patronen komen vaak voor in biologische systemen en worden ook gebruikt in nano-engineering om structurele kleuren te creëren. Met hun nieuwe inzichten kunnen de wetenschappers de lengteschaal van nanoscopische patronen voorspellen en deze zo tijdens de productie controleren. Het model is gepubliceerd in het journaal Fysieke beoordeling X.

Goed gedefinieerde structurele patronen worden overal in biologische systemen aangetroffen. Een bekend voorbeeld is de kleuring van vogelveren en vlindervleugels, die afhankelijk is van de regelmatige opstelling van nanoscopische structuren, ook wel structurele kleur genoemd. Dergelijke patronen ontstaan ​​vaak door fasescheiding.

Verschillende componenten scheiden zich van elkaar, vergelijkbaar met hoe olie zich van water scheidt. Het blijft echter onduidelijk hoe de natuur goed gedefinieerde patronen creëert die tot dergelijke kleuren leiden. Over het algemeen is het vervaardigen van synthetische materialen op deze submicronlengteschaal een veel voorkomende uitdaging.

Eén manier om structuren te controleren die door fasescheiding zijn gemaakt, is afhankelijk van elasticiteit: vervormingen van materialen worden goed beschreven door de elasticiteitstheorie op macroscopische schalen, bijvoorbeeld om uit te leggen hoe een stuk rubber vervormt onder invloed van kracht. Op nanoscopische schaal zijn materialen echter niet meer homogeen en is de macroscopische beschrijving van het materiaal onvoldoende.

In plaats daarvan is de feitelijke rangschikking van moleculen van belang. Bovendien kost het vervormen van welk materiaal dan ook energie, wat dus grote vervormingen belemmert. Individuele druppeltjes gevormd door fasescheiding kunnen dus niet oneindig groeien. Afhankelijk van hun opstelling kan er een regelmatig patroon ontstaan.

Wetenschappers onder leiding van David Zwicker, hoofd van de Max Planck Research Group “Theory of Biological Fluids” bij MPI-DS, hebben nu een model ontwikkeld om dit aspect aan te pakken. Ze stelden een theorie voor gebaseerd op niet-lokale elasticiteit om patroonvorming door fasescheiding te voorspellen.

“Met ons nieuwe model kunnen we nu rekening houden met het relevante aanvullende aspect om het systeem te beschrijven”, zegt Zwicker. “Het modelleren van alle moleculaire componenten in atomaire details zou de rekenkracht te boven gaan. In plaats daarvan hebben we de bestaande theorie uitgebreid naar kleinere structuren die vergelijkbaar zijn met de maaswijdte”, legt hij uit.

De nieuwe theorie voorspelt hoe materiaaleigenschappen het gevormde patroon beïnvloeden. Het kan ingenieurs dus helpen specifieke nanoscopische structuren te creëren, volgens de fysieke principes van zelforganisatie die de natuur exploiteert.