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

In de wereld van minuscule deeltjes die zweven in een vloeistof, ook wel colloïden genoemd, hangt de manier waarop dingen aan elkaar plakken sterk af van hun vorm en waar ze plakkerig zijn. Stel je een menigte mensen voor die probeert een rij te vormen; als iedereen perfect rond is en even vriendelijk is tegen iedereen, zullen ze van nature zo dicht mogelijk bij elkaar pakken, zonder gaten te laten. Echter, als je deze mensen een specifieke regel geeft — zeg, ze kunnen alleen hand in hand gaan met twee specifieke mensen die aan weerszijden van hen staan, en ze zijn gevormd als lange ovalen in plaats van cirkels — dan is het resultaat geheel anders. In plaats van een compact, solide blok, worden ze gedwongen zichzelf te rangschikken in open, poreuze netwerken met gaten in het midden. Wetenschappers zijn al lang geïnteresseerd in deze open structuren, omdat hun unieke vormen de manier waarop licht door hen heen gaat of vloeistoffen eroverheen bewegen kunnen beheersen, eigenschappen die essentieel zijn voor het creëren van geavanceerde materialen. Een beroemd voorbeeld van een dergelijke structuur is het kagome-rooster, een patroon dat lijkt op een geweven mand en zeer geordend is, maar toch vol lege ruimte zit.

Onderzoekers aan de Technische Universiteit van Wenen onderzochten onlangs hoe het veranderen van de vorm van deze plakkerige deeltjes van sferen naar langwerpige ellipsen de manier verandert waarop zij deze netwerken opbouwen. Ze gebruikten computersimulaties om duizenden van deze ovaalvormige deeltjes te observeren, elk met twee plakplekken aan de uiteinden, terwijl ze zich assembleerden onder verschillende omstandigheden van temperatuur en concentratie. Hun doel was om te zien of de verandering in vorm simpelweg dezelfde patronen anders zou doen verschijnen, of dat het fundamenteel de regels zou veranderen van hoe de deeltjes elkaar vinden en op hun plaats vergrendelen. Ze ontdekten dat, hoewel de deeltjes nog steeds het prachtige, geordende kagome-rooster vormden, de weg die ze daarheen aflegden verrassend direct was. In tegen tegenstelling tot hun ronde tegenhangers, die doorgaans eerst lange ketens bouwen en deze vervolgens herrangschikken in het uiteindelijke patroon, sprongen deze ovale deeltjes direct naar de voltooide structuur.

Het team observeerde dat ze door de temperatuur en de dichtheid van de deeltjes aan te passen, het systeem konden afstemmen om ofwel een perfect geordend kristal of een rommelig, ongeordend netwerk te worden. Wanneer de omstandigheden precies goed waren, vormden de deeltjes een regelmatig rooster waarbij elk gat een perfecte lus van zes deeltjes was. Naarmate ze de omgeving drukker of kouder maakten, begon deze orde af te breken. De perfecte lussen begonnen te vervormen, waardoor gaten met vijf of zeven zijden ontstonden, en uiteindelijk werd het netwerk een chaotische mix van verschillende vormen. Om deze chaos te begrijpen, ontwikkelden de onderzoekers een nieuwe manier om de verbindingen in kaart te brengen. In plaats van alleen te tellen hoeveel deeltjes elkaar raken, volgden ze exact welke plakplekken met elkaar verbonden waren. Dit stelde hen in staat om te zien dat de ovale deeltjes een unieke flexibiliteit hadden; ze konden hun verbindingen gemakkelijker buigen dan ronde deeltjes, wat er blijkbaar toe leidde dat ze de tussenstap van het vormen van ketens konden overslaan en direct het complexe rooster konden bouwen.

De studie onthulde ook dat de manier waarop deze netwerken afbreken niet willekeurig is. Terwijl de orde verdwijnt, worden de gaten in het netwerk niet simpelweg groter; ze veranderen van karakter. De onderzoekers vonden dat het netwerk een voorkeur ontwikkelde voor vijfzijdige gaten boven zevenzijdige gaten, een specifieke onbalans die in andere soorten plakkerige deeltjes was gezien, maar nu in deze ovale vormen werd bevestigd. Deze verschuiving suggereert dat de ovale vorm het gemakkelijker maakt voor de deeltjes om bepaalde soorten defecten te vormen, terwijl andere juist moeilijker te bereiken zijn. Het team zag ook enkele vreemde, ladderachtige structuren ontstaan in de ongeordende regio's, die mogelijk concurreren met het kagome-patroon om dominantie, hoewel ze nog niet konden bewijzen welke structuur stabieler was.

Misschien wel de meest significante bevinding was hoe de deeltjes vanaf het begin werden samengesteld. In simulaties van ronde deeltjes hadden wetenschappers eerder een tweestaps-proces gezien: de deeltjes klonterden eerst samen tot lange, draadachtige ketens, en pas later ontwarren en herorganiseren deze ketens zich in het uiteindelijke rooster. De ovale deeltjes deden dit echter niet. Wanneer de onderzoekers de temperatuur verlaagden om de assemblage te triggeren, vormden de deeltjes onmiddellijk de geordende lussen, zonder ooit door een fase van lange ketens te gaan. Dit suggereert dat de langwerpige vorm van de deeltjes een andere soort vrijheid biedt, waardoor ze veel directer hun juiste posities in het rooster kunnen vinden. De onderzoekers merkten op dat bij lagere temperaturen de kernen van deze nieuwe structuren ruwer en vertakter waren, gevuld met meer van de vijfzijdige defecten, wat aangeeft dat de snelheid van assemblage ten koste ging van de perfecte gladheid.

Dit werk biedt een duidelijk voorbeeld van hoe een eenvoudige verandering in geometrie — het uitrekken van een sfeer tot een ellips — de regels van zelfassemblage kan herschrijven. Het laat zien dat de weg die een materiaal aflegt om te vormen even belangrijk is als de uiteindelijke vorm die het aanneemt. Door een nieuwe methode te introduceren om de verbindingen tussen de plakplekken in kaart te brengen, gaven de onderzoekers zichzelf een krachtig instrument om in deze netwerken te kijken, waarbij ze onderscheid maakten tussen eenvoudige bindingen en complexe lussen die voorheen onzichtbaar waren voor standaardanalyse. Hoewel de studie volledig via computersimulaties werd uitgevoerd, bieden de bevindingen een overtuigende hypothese voor hoe vorm de vorming van complexe materialen beïnvloedt. De resultaten suggereren dat wetenschappers, door deeltjes met specifieke vormen en plakplekken te ontwerpen, de vorming van materialen met nauwkeurig gecontroleerde porositeit en orde kunnen sturen, wat nieuwe deuren opent voor het ontwikkelen van materialen die kunnen filteren, detecteren of licht kunnen geleiden op manieren die momenteel onmogelijk zijn.