Создание структуры «огненного льда» с помощью наночастиц.

Каркасные структуры, изготовленные из наночастиц, могут стать путем к созданию организованных наноструктур из смешанных материалов, и исследователи из Мичиганского университета показали, как достичь этого с помощью компьютерного моделирования.

Making the structure of 'fire ice' with nanoparticles
Particle design for host–guest colloidal clathrates. a, TBP with truncation parameter, from left to right, of S = 0, 0.3, 0.5, 0.7 and 1.0. b, Thirty truncated TBPs form a cage-type clathrate cluster. The truncation creates a cavity (red dotted circle) at the center of the cluster. The size of the cavity increases as S increases. c, The change of size ratio α = rguest/rcavity as a function of S for the four clathrate cages measured at a constant volume fraction, ϕ = 0.65 (Extended Data Fig. 2 and Guest-to-cavity size ratio section in the Methods). Data points are obtained from HPMC simulations; solid lines are guides to the eye. The location where the red dotted line meets each curve indicates the minimum S for the cage to have a single truncated TBP guest. d, A model structure of Clath II–A0D1 (S = 0.42), composed of guest-free A-cages and single-guest D-cages. Credit: Nature Chemistry (2023). DOI: 10.1038/s41557-023-01200-6 / Схема частиц для коллоидных клатратов типа «хозяин–гость». a, TBP с параметром усечения слева направо, равным S = 0, 0,3, 0,5, 0,7 и 1,0. b, Тридцать усеченных TBP образуют кластер клатратов клеточного типа. Усечение создает полость (красный пунктирный круг) в центре кластера. Размер полости увеличивается с увеличением S. c, изменение отношения размеров α = rguest/rcavity в зависимости от S для четырех клатратных ячеек, измеренное при постоянной объемной доле, ϕ = 0,65 (расширенные данные на фиг. 2 и раздел «Соотношение размеров гостя и полости» в методах). Точки данных получены в результате моделирования HPMC; сплошные линии являются ориентирами для глаза. Место, где красная пунктирная линия пересекается с каждой кривой, указывает минимальное значение S для того, чтобы клетка имела одного усеченного гостя TBP. d, модельная структура Clath II–A0D1 (S = 0,42), состоящая из A-клеток без гостей и D-клеток с одним гостем. Автор: Nature Chemistry (2023). DOI: 10.1038/s41557-023-01200-6

Каркасные структуры, изготовленные из наночастиц, могут стать путем к созданию организованных наноструктур из смешанных материалов, и исследователи из Мичиганского университета показали, как достичь этого с помощью компьютерного моделирования.

Это открытие может открыть новые возможности для фотонных материалов, которые манипулируют светом так, как не могут природные кристаллы. Это также продемонстрировало необычный эффект, который команда называет компартментализацией энтропии.

«Мы разрабатываем новые способы структурирования вещества в разных масштабах, открывая возможности и какие силы мы можем использовать», — сказала Шарон Глотцер, заведующая кафедрой химической инженерии Энтони К. Лембке, которая возглавляла исследование, опубликованное сегодня в Nature Chemistry. «Энтропийные силы могут стабилизировать даже более сложные кристаллы, чем мы думали».

Хотя энтропию часто объясняют как беспорядок в системе, она более точно отражает тенденцию системы максимизировать свои возможные состояния. Часто это заканчивается беспорядком в разговорном смысле. Молекулы кислорода не скапливаются в углу — они распространяются, заполняя всю комнату. Но если вы положите их в коробку нужного размера, они естественным образом упорядочатся в узнаваемую структуру.

Наночастицы делают то же самое. Ранее команда Глотцера показала, что частицы бипирамиды — похожие на две короткие трехгранные пирамиды, соединенные вместе у своих оснований, — образуют структуры, напоминающие огненный лед, если поместить их в достаточно маленькую коробку. Огненный лед состоит из молекул воды, которые образуют клетки вокруг метана, и он может гореть и таять одновременно.

ВИДЕО: https://youtu.be/T71YLyIWxaY (Credit: University of Michigan)

Это вещество в изобилии встречается на дне океана и является примером клатрата. Клатратные структуры находятся в стадии изучения для широкого спектра применений, таких как улавливание и удаление углекислого газа из атмосферы.

В отличие от водных клатратов, в более ранних клатратных структурах из наночастиц не было пробелов для заполнения другими материалами, которые могли бы предоставить новые и интересные возможности для изменения свойств структуры. Команда хотела это изменить.

«На этот раз мы исследовали, что произойдет, если мы изменим форму частицы. Мы рассудили, что если мы немного укоротим частицу, это создаст пространство в клетке, образованной бипирамидными частицами», — сказал Сангмин Ли, недавний выпускник докторантуры в области химической инженерии и первый автор статьи.

Он снял три центральных угла с каждой бипирамиды и обнаружил приятное место, где в структуре появлялись пробелы, но стороны пирамид все еще оставались достаточно неповрежденными, чтобы они не начали организовываться по-другому. Промежутки заполнялись большим количеством усеченных бипирамид, когда они были единственной частицей в системе. Когда была добавлена вторая форма, эта форма стала захваченной гостевой частицей.

У Глотцера есть идеи о том, как создать избирательно липкие стороны, которые позволили бы различным материалам выступать в качестве клеток и гостевых частиц, но в данном случае не было клея, удерживающего бипирамиды вместе. Вместо этого структура была полностью стабилизирована энтропией.

«Что действительно интересно, глядя на симуляции, так это то, что хост-сеть почти заморожена. Частицы-хозяева движутся, но все они движутся вместе, как единый твердый объект, что именно и происходит с клатратами воды», — сказал Глотцер. «Но гостевые частицы вращаются как сумасшедшие — как будто система сбросила всю энтропию в гостевые частицы».

Это была система с наибольшим количеством степеней свободы, которую усеченные бипирамиды могли построить в ограниченном пространстве, но почти вся свобода принадлежала частицам-гостям. Исследователи говорят, что метан в водных клатратах тоже вращается. Более того, когда они удалили гостевые частицы, структура выбросила бипирамиды, которые были частью сетевой структуры клетки, внутрь клетки — было важнее иметь в наличии вращающиеся частицы для максимизации энтропии, чем иметь целые клетки.

Разделение энтропии на части. Разве это не круто? Держу пари, что это происходит и в других системах — не только в клатратах», — сказал Глотцер.

Источник: https://phys.org/news/2023-05-ice-nanoparticles.html?utm_source=nwletter&utm_medium=email&utm_campaign=daily-nwletter

More information: Sharon Glotzer, Entropy compartmentalization stabilizes open host–guest colloidal clathrates, Nature Chemistry (2023). DOI: 10.1038/s41557-023-01200-6. www.nature.com/articles/s41557-023-01200-6

Provided by University of Michigan

+ Explore further Theory predicts new type of bond that assembles nanoparticle crystals