Fest und flüssig zugleich

Diese Pampe ist flüssig und zugleich fest!????? | Kurz und crazy #7 | by What ever (Februar 2019).

Anonim

Mikroskopisch kleine Teilchen können sich nach Berechnungen an der TU Wien spontan zu komplexen Schichtstrukturen mit bemerkenswerten Eigenschaften selbstorganisieren.

Es gibt viele Möglichkeiten, neue, innovative Materialien zu schaffen. Eine der interessantesten ist ein Prozess, bei dem sich winzige Partikel zu komplexen Strukturen zusammenlagern. Dieser als "Selbstorganisation" bezeichnete Prozess eröffnet einige bemerkenswerte Möglichkeiten, wie Computersimulationen an der TU Wien gezeigt haben. Einfache Makromoleküle können Schichtsysteme bilden, die in einem weiten Temperaturbereich gleichzeitig fest und flüssig sein können.

Abstoßende und attraktive Gebühren

"Das Grundkonzept wird in der Natur weit verbreitet genutzt", erklärt Professor Gerhard Kahl vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien. "Viren und Bakterien weisen oft Oberflächenladungen auf. Das bedeutet, dass sie sich gegenseitig anziehen oder abstoßen, je nachdem, welche Art von Ladung sie tragen. Dadurch kann eine selektive Bindung zwischen diesen Einheiten stattfinden, wodurch sie sich zu interessanten funktionale Strukturen. "

Ein ähnliches Verfahren ist auch bei künstlichen Teilchen möglich, beispielsweise bei kleinen (kolloidalen) Kugeln, an denen an zwei gegenüberliegenden Oberflächenbereichen eine positive elektrische Ladung anliegt. Wenn die Umgebungsbedingungen geeignet sind, können solche Partikel sich selbst zu einer zweidimensionalen Schicht zusammenfügen. Die Partikel werden dann dicht gepackt und bilden ein hexagonales Muster, wobei die geladenen Oberflächenbereiche der Partikel so ausgerichtet sind, dass sie starke attraktive Bindungen bilden. Dieses Bindungsmuster macht die Schicht extrem stabil.

Wie Emanuela Bianchi und Silvano Ferrari aus Gerhard Kahls Arbeitsgruppe gezeigt haben, lässt sich so ein interessantes Phänomen beobachten, nämlich dass sich mehrere solcher Schichten gleichzeitig verbinden können. Zusätzliche Teilchen können dann Positionen zwischen den Schichten einnehmen, wodurch starke Bindungen zwischen diesen Schichten hergestellt werden. Diese Bindungspartikel fixieren die Schichten, so dass sie sich nicht mehr gegeneinander verschieben können; somit wird eine stabile, vielschichtige Struktur vollständig autonom durch Selbstorganisation zufälliger Teilchen gebildet, die zufällig vorbeikommen.

Sowohl fest als auch flüssig: die Mini-Schokoladenwaffel

Die besonderen Eigenschaften dieser Strukturen zeigen sich bei Temperaturerhöhung: "Die Bindungen innerhalb der einzelnen Schichten sind viel stärker als die Bindungen zwischen den Schichten", erklärt Gerhard Kahl. "Wenn die Temperatur erhöht wird, sind es die schwächeren Bindungen zwischen den Schichten, die zuerst brechen; die Teilchen können sich dann frei als Flüssigkeit bewegen, während die Schichten selbst stabil bleiben." Dieser Effekt ist ähnlich einem Schokoladenwafer in der Sommerhitze, wobei flüssige Schokolade zwischen festen, stabilen Waferschichten liegt. "Dies ist ein bemerkenswertes Phänomen. Wir haben es mit einem einzigartigen Material zu tun, das nur aus einer Art von Partikeln besteht und gleichzeitig eine Struktur bilden kann, die sowohl feste als auch flüssige Schichten umfasst."

Dieses Szenario kann über einen weiten Temperaturbereich beobachtet werden; Nur wenn die Temperatur so hoch ist, dass selbst die stabilen Bindungen innerhalb der einzelnen Schichten gebrochen sind, fällt die Struktur auseinander und schmilzt vollständig. Bis dahin zeigt das System eine außergewöhnliche Fähigkeit zur Selbstheilung: Selbst wenn es beschädigt ist, wird es bald automatisch durch zufallsbedingte Partikel repariert.

Experimente haben bereits begonnen, die möglichen Anwendungen dieser neuen Ideen zu testen. Es gibt viele mögliche Anwendungen für solche Strukturen. "Mit solchen Strukturen können wir den Transport von Partikeln über geringe Temperaturschwankungen präzise steuern", sagt Gerhard Kahl. Dies könnte beispielsweise in der Medizin verwendet werden, um Medikamente an genau die richtige Stelle im Körper zu transportieren.

menu
menu