Onderzoekers ontdekken nieuwe zelf-geassembleerde kristalstructuren

Met behulp van een gerichte computationele benadering hebben onderzoekers van de afdeling Materials Science and Engineering aan de Cornell University meer dan 20 nieuwe zelf-geassembleerde kristalstructuren gevonden, die nog niet eerder waren waargenomen.

Het onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano onder de titel “Targeted Discovery of Low-Coordinated Crystal Structures via Tunable Particle Interactions”, is geschreven door Ph.D. student Hillary Pan en haar adviseur Julia Dshemuchadse, assistent-professor materiaalkunde en engineering.

“In wezen probeerden we erachter te komen wat voor soort nieuwe kristalstructuurconfiguraties we zelf kunnen samenstellen in simulatie, ” zei Pan. “Het meest opwindende was dat we nieuwe structuren vonden die niet eerder in een database met kristalstructuren waren opgenomen; deze deeltjes assembleren zich in feite tot iets dat niemand ooit eerder had gezien.”

Het team voerde een gerichte zoektocht uit naar voorheen onbekende laaggecoördineerde assemblages binnen een enorme parameterruimte die wordt overspannen door deeltjes die interageren via isotrope paarpotentialen, stelt het artikel. “Laag gecoördineerde structuren hebben anisotrope lokale omgevingen, wat betekent dat de geometrieën sterk directioneel zijn, dus het is ongelooflijk dat we zo’n verscheidenheid van dit soort structuren kunnen zien met behulp van puur niet-directionele interacties”, zei Pan.

Lage deeltjescoördinatie is een structurele kenmerkende sleutel tot de functionele eigenschappen van veel technologisch belangrijke materialen, waaronder raamwerkstructuren zoals metaal-organische raamwerken, clathraten en zeolieten, evenals fotonische kristallen zoals diamant.

De onderzoekers ontwikkelden een nieuwe functionele vorm voor deeltjesinteracties waarin alle kenmerken onafhankelijk van elkaar kunnen worden afgestemd. Door tijdens simulatie systematisch parametersparen te veranderen, konden de onderzoekers verschillende kenmerken van het interactielandschap van de deeltjes beheersen. Ondanks het beperken van de zoektocht tot een klein gebied van de enorme parameterruimte van mogelijke deeltjesinteracties, stelt het artikel, is er een rijkdom aan complexiteit en symmetrie zichtbaar binnen deze kristalstructuren, waaronder clathraten met lege kooien en structuren met lage symmetrie, die ook hadden niet eerder waargenomen in simulatie.

Het werk laat zien dat gecompliceerde structuren kunnen ontstaan ​​uit eenvoudige interacties en voegt nieuwe theoretische structuren toe voor anderen die in het veld werken. Het flexibele en intuïtieve ontwerp van het interactiepotentieel van het team dient als een belangrijke stap in de richting van het bepalen van de kenmerken van deeltjesinteracties die leiden tot bepaalde structurele eigenschappen, nuttig voor het vaststellen van synthetische regels om doelstructuren te maken.

De bevindingen van het team suggereren dat er potentieel grenzeloze nieuwe en exotische materiaalconfiguraties mogelijk zijn door gecontroleerde zelfassemblage. “Dit is de eerste keer dat we de relatie van dit isotrope paarpotentieel met de resulterende kristalstructuren kwantificeren”, zei Dshemuchadse. “Deze nieuwe kristalstructuren kunnen nu dienen als ontwerpdoelen voor onderzoekers die daadwerkelijk nanodeeltjes en colloïden maken.”