Networks of triblock ellipses: from kagome order to disordered porous networks

In der Welt der winzigen Teilchen, die in einer Flüssigkeit schweben und als Kolloide bekannt sind, hängt die Art und Weise, wie sie aneinanderhaften, stark von ihrer Form und der Position ihrer „klebrigen“ Stellen ab. Stellen Sie sich eine Menschenmenge vor, die versucht, eine Schlange zu bilden; wenn alle perfekt rund und gleichermaßen freundlich zu jedem anderen wären, würden sie sich ganz natürlich so dicht wie möglich zusammenfügen, sodass keine Lücken entstehen. Wenn man diesen Menschen jedoch eine spezifische Regel gibt – zum Beispiel, dass sie nur mit zwei bestimmten Personen, die auf gegenüberliegenden Seiten von ihnen stehen, Händchen halten dürfen, und dass sie eher wie lange Ovale statt wie Kreise geformt sind –, dann ist das Ergebnis ein völlig anderes. Anstatt eines dichten, soliden Blocks werden sie gezwungen, sich in offenen, porösen Netzwerken mit Löten in der Mitte anzuordnen. Wissenschaftler sind seit langem an diesen offenen Strukturen interessiert, da ihre einzigartigen Formen steuern können, wie Licht durch sie hindurchtritt oder wie Flüssigkeiten sich über sie bewegen – Eigenschaften, die für die Entwicklung fortschrittlicher Materialien entscheidend sind. Ein berühmtes Beispiel für eine solche Struktur ist das Kagome-Gitter, ein Muster, das einem geflochtenen Korb ähnelt und hochgeordnet, aber dennoch voller Leerräume ist.

Forscher der Technischen Universität Wien untersuchten kürzlich, wie die Änderung der Form dieser klebrigen Teilchen von Kugeln zu länglichen Ellipsen die Art und Weise verändert, wie sie diese Netzwerke aufbauen. Sie nutzten Computersimulationen, um tausende dieser ovalen Teilchen zu beobachten, von denen jedes zwei klebrige Enden besitzt, während sie sich unter verschiedenen Bedingungen von Temperatur und Konzentration zusammensetzten. Ihr Ziel war es zu sehen, ob die Änderung der Form lediglich dazu führen würde, dass dieselben Muster anders erscheinen, oder ob sie grundlegend die Regeln ändert, wie die Teilchen einander finden und in Position einrasten. Sie entdeckten, dass die Teilchen zwar immer noch das wunderschöne, geordnete Kagome-Gitter bildeten, der Weg dorthin jedoch überraschend direkt war. Im Gegensatz zu ihren runden Gegenstücken, die typischerweise zuerst lange Ketten bilden und diese dann in das endgültige Muster umstrukturieren, sprangen diese ovalen Teilchen direkt zur fertigen Struktur.

Das Team beobachtete, dass sie durch Anpassung der Temperatur und der Dichte der Teilchen das System so steuern konnten, dass es entweder ein perfekt geordnetes Kristall oder ein ungeordnetes, chaotisches Netzwerk wurde. Wenn die Bedingungen genau richtig waren, bildeten die Teilchen ein regelmäßiges Gitter, bei dem jedes Loch eine perfekte Schleife aus sechs Teilchen war. Wenn sie die Umgebung dichter oder kälter machten, begann diese Ordnung zu zerfallen. Die perfekten Schleifen begannen sich zu verzerren, wodurch Löcher mit fünf oder sieben Seiten entstanden, und schließlich wurde das Netzwerk zu einer chaotischen Mischung verschiedener Formen. Um dieses Chaos zu verstehen, entwickelten die Forscher eine neue Methode zur Kartierung der Verbindungen. Anstatt nur zu zählen, wie viele Teilchen sich berühren, verfolgten sie genau, welche klebrigen Stellen miteinander verbunden sind. Dies ermöglichte es ihnen zu sehen, dass die ovalen Teilchen eine einzigartige Flexibilität besaßen; sie konnten ihre Verbindungen leichter biegen als runde Teilchen, was ihnen anscheinend half, den Zwischenschritt des Bildens von Ketten zu überspringen und direkt den komplexen Aufbau des Gitters zu vollziehen.

Die Studie zeigte auch, dass der Zerfall dieser Netzwerke nicht zufällig erfolgt. Während die Ordnung verschwindet, werden die Löcher im Netzwerk nicht einfach nur größer; sie verändern ihren Charakter. Die Forscher fanden heraus, dass das Netzwerk eine Präferenz für fünfseitige Löcher gegenüber siebenseitigen Löchern entwickelte – ein spezifisches Ungleichgewicht, das bereits bei anderen Arten klebriger Teilchen beobachtet worden war, nun aber auch bei diesen ovalen Formen bestätigt wurde. Diese Verschiebung deutet darauf an, dass die ovale Form es einfacher macht, bestimmte Arten von Defekten zu bilden, während andere schwerer zu erreichen sind. Das Team bemerkte zudem seltsame, leiterartige Strukturen, die in den ungeordneten Regionen entstanden und möglicherweise mit dem Kagome-Muster um die Vorherrschaft konkurrierten, obwohl sie noch nicht beweisen konnten, welche Struktur stabiler ist.

Vielleicht war die bedeutendste Erkenntnis, wie die Teilchen von Grund auf entstanden. In Simulationen mit runden Teilchen hatten Wissenschaftler zuvor einen zweistufigen Prozess beobachtet: Die Teilchen ballten sich zuerst zu langen, fadenartigen Ketten zusammen, und erst später entwirrten und organisierten sich diese Ketten zum endgültigen Gitter um. Die ovalen Teilchen jedoch taten dies nicht. Als die Forscher die Temperatur senkten, um die Assemblierung auszulösen, bildeten die Teilchen die geordneten Schleifen sofort, ohne jemals die Phase langer Ketten zu durchlaufen. Dies deutet darauf hin, dass die längliche Form der Teilchen eine andere Art von Freiheit bietet, die es ihnen ermöglicht, ihre korrekten Positionen im Gitter viel direkter zu finden. Die Forscher stellten fest, dass die Kerne dieser neuen Strukturen bei niedrigeren Temperaturen rauer und verzweigter wurden und mehr fünfseitige Defekte aufwiesen, was darauf hindeutet, dass die Geschwindigkeit der Assemblierung auf Kosten einer perfekten Glätte ging.

Diese Arbeit liefert ein klares Beispiel dafür, wie eine einfache Änderung der Geometrie – das Strecken einer Kugel zu einer Ellipse – die Regeln der Selbstassemblierung neu schreiben kann. Sie zeigt, dass der Weg, den ein Material nimmt, um sich zu bilden, genauso wichtig ist wie die endgültige Form, in der es endet. Durch die Einführung einer neuen Methode zur Kartierung der Verbindungen zwischen den klebrigen Stellen gaben die Forscher sich selbst ein leistungsfähiges Werkzeug, um in diese Netzwerke hineinzusehen und einfache Bindungen von komplexen Schleifen zu unterscheiden, die zuvor mit Standardanalysen unsichtbar waren. Obwohl die Studie vollständig durch Computersimulationen durchgeführt wurde, bietet sie eine überzeugende Hypothese dafür, wie die Form die Entstehung komplexer Materialien beeinflusst. Die Ergebnisse legen nahe, dass Wissenschaftler durch das Design von Teilchen mit spezifischen Formen und klebrigen Stellen die Bildung von Materialien mit präzise kontrollierter Porosität und Ordnung steuern könnten, was neue Türen für die Entwicklung von Materialien öffnet, die filtern, sensorisch erfassen oder Licht auf eine Weise leiten können, die derzeit noch unmöglich ist.