Nanopartiküllerle oluşturulan kafes yapılar, karışık malzemelerle organize nanoyapılar oluşturmaya yönelik bir yol olabilir. Michigan Üniversitesi’ndeki araştırmacılar bilgisayar simülasyonları aracılığıyla bunun nasıl başarılacağını gösterdiler.
Bu bulgu, ışığı doğal kristallerin yapamayacağı şekilde manipüle eden fotonik malzemeler için yeni yollar sağlayabilir. Ayrıca, ekibin entropi bölümlenmesi olarak adlandırdığı alışılmadık bir etki de sergiledi.
Bugün Nature Chemistry‘de yayınlanan çalışmaya liderlik eden Anthony C. Lembke Kimya Mühendisliği Bölüm Başkanı Sharon Glotzer, “Maddeyi ölçekler arasında yapılandırmak için yeni yollar geliştiriyor, olasılıkları ve hangi kuvvetleri kullanabileceğimizi keşfediyoruz” dedi. “Entropik kuvvetler düşündüğümüzden daha karmaşık kristalleri bile stabilize edebilir.”
Entropi genellikle bir sistemdeki düzensizlik olarak açıklansa da, daha doğru bir şekilde sistemin olası durumlarını en üst düzeye çıkarma eğilimini yansıtır. Çoğu zaman bu, halk dilindeki anlamıyla düzensizlik olarak sonuçlanır. Oksijen molekülleri bir köşede toplanmazlar, bir odayı dolduracak şekilde yayılırlar. Ancak onları doğru boyutta bir kutuya koyarsanız, doğal olarak kendilerini tanınabilir bir yapıya göre düzenleyeceklerdir.
Nanoparçacıklar da aynı şeyi yapıyor. Daha önce Glotzer’in ekibi, bipiramit partiküllerin (tabanlarından birbirine yapışmış iki kısa, üç taraflı piramit), yeterince küçük bir kutuya koyduğunuzda ateş buzuna benzeyen yapılar oluşturacağını göstermişti. Ateş buzu, metanın etrafında kafes oluşturan su moleküllerinden oluşur ve aynı anda hem yanabilir hem de eriyebilir.
Bu madde okyanus tabanının altında bol miktarda bulunur ve bir klatrat örneğidir. Klatrat yapılar, karbondioksiti atmosferden hapsetmek ve uzaklaştırmak gibi bir dizi uygulama için araştırılmaktadır.
Su klatratlarının aksine daha önceki nanoparçacık klatrat yapılarının, yapının özelliklerini değiştirmek için yeni ve ilginç olanaklar sağlayabilecek diğer malzemelerle doldurulacak boşlukları yoktu. Ekip bunu değiştirmek istedi.
Kimya Mühendisliği yeni doktora mezunu makalenin başyazarı Sangmin Lee “Bu kez, parçacığın şeklini değiştirirsek ne olacağını araştırdık. Parçacığı biraz kesersek, bunun bipiramit parçacıkların oluşturduğu kafeste boşluk yaratacağını düşündük,” dedi.
Her bir bipiramidin üç merkezi köşesini çıkardı ve yapıda boşlukların ortaya çıktığı ancak piramitlerin kenarlarının hala farklı bir şekilde organize olmaya başlamayacak kadar sağlam olduğu tatlı noktayı keşfetti. Sistemde yalnızca parçacıklar varken boşluklar daha kesik bipiramitlerle doldu. İkinci bir şekil eklendiğinde, bu şekil kapana kısılmış konuk parçacık haline geldi.
Glotzer’in, farklı malzemelerin kafes ve konuk parçacıklar olarak hareket etmesini sağlayacak seçici yapışkan kenarların nasıl oluşturulacağına dair fikirleri var ancak bu durumda bipiramitleri bir arada tutan bir yapıştırıcı yoktu. Bunun yerine, yapı tamamen entropi tarafından stabilize edildi.
Glotzer “Simülasyonlara baktığımızda gerçekten büyüleyici olan şey, konukçu ağın neredeyse donmuş olması. Konukçu ağ parçacıklar hareket ediyor ancak hepsi tek, katı bir nesne gibi birlikte hareket ediyor. Bu tam olarak su klatratlarında olan şey” dedi. “Ancak konuk parçacıklar deli gibi dönüyorlar – sistem tüm entropiyi konuk parçacıklara boşaltmış gibi.”
Bu, kesik bipiramitlerin sınırlı bir alanda inşa edebileceği en fazla serbestlik derecesine sahip sistemdi ancak neredeyse tüm serbestlik konuk parçacıklara aitti. Araştırmacılar, su klatratlarındaki metanın da döndüğünü söylüyor. Dahası, konuk parçacıkları çıkardıklarında yapı, ağ şeklindeki kafes yapısının bir parçası olan bipiramitleri kafes içlerine fırlattı. Entropiyi en üst düzeye çıkarmak için dönen parçacıklara sahip olmak, tam kafeslere sahip olmaktan daha önemliydi.
Glotzer “Entropi kompartmanlaşması. Harika değil mi? Eminim bu sadece klatratlarda değil, başka sistemlerde de oluyordur” dedi. [1]Making the structure of ‘fire ice’ with nanoparticles
[cite]
Kaynaklar ve İleri Okuma
| ↑1 | Making the structure of ‘fire ice’ with nanoparticles |
|---|
