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Estudio arroja nueva luz sobre ensamblaje de materiales en confinamiento

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Meter varios pares de zapatos en una maleta de vacaciones, retorciéndolos y volteándolos en diferentes arreglos para adaptarse a cada par necesario, es un problema de optimización familiar al que se enfrentan los viajeros estresados. Este mismo problema es bien conocido por los ingenieros: cuando se les da una cantidad de objetos con una forma particular, ¿cómo pueden empaquetarse en un contenedor? ¿Y qué patrón formará ese empaque?

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Investigadores de Cornell utilizaron simulaciones por computadora para mostrar cómo se ve afectado el ensamblaje de tetraedros truncados en vértices cuando están confinados dentro de un contenedor esférico. Los hallazgos ofrecen a los científicos de materiales un nuevo método para controlar la estructura de ensamblaje y las características del material resultante. Crédito de la imagen: Rachael Skye / Universidad de Cornell

A diferencia del contenido de una maleta, la forma en que se empaquetan las partículas microscópicas se puede utilizar para diseñar las características de los materiales que forman; por ejemplo, cómo viaja la luz o la electricidad. Los científicos de materiales han estudiado durante mucho tiempo cómo se puede usar el ensamblaje de partículas en un espacio confinado para otorgar nuevas habilidades a los materiales, pero aún no se comprende cómo las partículas con formas únicas interactúan con una barrera.

Un nuevo estudio del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Cornell usó simulaciones por computadora para mostrar cómo el ensamblaje de tetraedros truncados en vértice, una forma de partícula con cuatro caras hexagonales y cuatro caras triangulares, se ve afectado cuando está confinado dentro de un contenedor esférico. Los resultados, publicado en la revista Soft Matterofrecen a los científicos de materiales un nuevo método para controlar la estructura de ensamblaje y las características del material resultante.

“Solía ​​ser que los teóricos hacían principalmente simulaciones con esferas porque la mayoría de las partículas son más o menos esféricas, y computacionalmente eso era más fácil”, dijo Rachael Skye, estudiante de doctorado y primera autora del estudio, “pero los experimentadores siguen encontrando formas emocionantes de controlar la forma y ahora pueden hacer partículas coloidales como tetraedros, octaedros o cubos. Con potencia informática avanzada, podemos simular estas formas, pero también ir más allá y predecir qué podrían hacer las partículas nuevas, aún no sintetizadas”.

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Simulaciones de 10.000 partículas en recipientes esféricos, (a–c) vistas desde el exterior y (d–f) como secciones transversales. Se destacan tres formas diferentes: tetraedros platónicos (a y d), tetraedros truncados que llenan espacios (b y e) y tetraedros truncados de Arquímedes (c y f). La coloración corresponde a los entornos de partículas locales: los azules representan partículas que son predominantemente de vértice a vértice, y los naranjas corresponden predominantemente de vértice a borde. Las partículas blancas no están clasificadas. Las simulaciones muestran que una pared puede cambiar el comportamiento de las partículas cercanas, lo que permite a los investigadores ensamblar diferentes estructuras de forma selectiva. Crédito de la imagen: Rachael Skye / Universidad de Cornell

Para ayudar a llenar el vacío de conocimiento sobre cómo se ensamblan estas formas de partículas en confinamiento, Skye y la autora principal del estudio, Julia Dshemuchadse, profesora asistente de ciencia e ingeniería de materiales, simularon ensamblajes de partículas tetraédricas en contenedores esféricos. Cada uno contenía tan solo cuatro partículas y hasta 10.000. En cada simulación, el contenedor se encogería lo más posible con el número programado de partículas en su interior.

“Esta simulación imita cómo se producen algunos materiales coloidales, con partículas colocadas dentro de una gota de líquido que se contrae a medida que se evapora”, dijo Dshemuchadse.

Estas partículas pueden encajar juntas de varias maneras, pero hay dos motivos distintos: alineadas, con caras hexagonales adyacentes, o antialineadas, con una cara hexagonal adyacente a una triangular. Cada motivo impulsa una estructura general que se ajusta a los bordes de los contenedores de manera diferente.

«Si tiene estas partículas antialineadas, entonces puede formar capas planas muy bien y apilarlas infinitamente anchas, creando un cristal realmente bueno», dijo Dshemuchadse, quien agregó que este motivo se ve favorecido cuando se simula una gran cantidad de partículas porque el contenedor más grande El tamaño tiene una curvatura más pequeña, “pero si tienes las partículas alineadas, la estructura puede formar un motivo curvo que encaja mejor en una capa esférica. En un pequeño número de partículas, se favorece el motivo alineado porque los contenedores más pequeños tienen grandes curvaturas”.

Los hallazgos brindan a los científicos de materiales un método para hacer crecer cristales grandes en sistemas de partículas que normalmente no se ensamblan en estructuras ordenadas. Otros métodos para lograr un cristal bien ordenado implican técnicas como «sembrar» el material con partículas restringidas en orientaciones especializadas que impulsan la estructura correspondiente, pero tales métodos requieren la fabricación de nuevos tipos de partículas, lo que sería menos sencillo en una realización experimental de estos sistemas. Por el contrario, la formación de cristales en un sustrato plano suele ser la norma, y ​​este estudio señala cómo esta técnica puede beneficiar a la estructura resultante.

“Los cristales coloidales tienden a ser pequeños y llenos de defectos, pero para que sean útiles en la mayoría de las aplicaciones, deben ser bastante grandes y libres de defectos”, dijo Skye. “La idea es que al elegir correctamente el contenedor o la pared, se puede hacer un cristal mucho más grande y de mejor calidad que de otra manera”.

Skye agregó que en campos como la plasmónica y la fotónica, esta técnica de ensamblaje se puede utilizar para orientar la misma partícula de dos maneras diferentes, lo que permite a los ingenieros crear dispositivos que tienen diferentes respuestas según la formación de ensamblaje elegida.

Fuente: Universidad de Cornell






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