ENGINEERINGNET.BE - Moleculen kunnen zich tot membranen vormen en kristallen kunnen zichzelf ordenen in roosters.
Die structuren zien er bijzonder uit, zijn erg handig, en liggen daardoor aan de basis van de technologie achter beeldschermen, medische materialen en slimme sensoren.
De gebruikelijke gedachte is dat er ingewikkelde oorzaken achter die orde zitten, zoals lading, reacties en interacties tussen deeltjes. Maar onderzoekers Marjolein Dijkstra en Rodolfo Subert van UUtrecht hebben aangetoond dat de vorm van de bouwstenen al genoeg kan zijn om ingewikkelde, georganiseerde patronen te laten ontstaan.
De onderzoekers werkten met simulaties van virtuele deeltjes in een computer. Aan hun onderzoek kwamen geen echte moleculen met elektrische ladingen of verbindingen te pas, maar ze gingen uit van harde, hoekige vormen waarvan de enige eis was dat ze niet mochten overlappen met elkaar.
In die simulaties zagen ze dat, wanneer de deeltjes dicht genoeg op elkaar zaten, ze zich vanzelf begonnen te organiseren. Eerst in lagen, daarna in kolommen en 3D-netwerken.
Entropie, de natuurlijke neiging van systemen om in de meest waarschijnlijke toestand terecht te komen, helpt daarbij. Sommige geordende structuren blijken simpelweg logischer voor deeltjes dan wanorde.
Uiteindelijk ontstonden er zelfs structuren met een duidelijke links- of rechtsdraaiing. Dat de deeltjes zomaar gingen draaien was een verrassing, vertelt Dijkstra.
“De deeltjes zelf zijn niet gedraaid, maar samen vormen ze toch een patroon met een voorkeur voor links of rechts. Die richting zit nergens ingebouwd.”
Wanneer deeltjes een bepaalde kant op draaien, heet dat chiraliteit. Chirale deeltjes spelen een grote rol in biologische systemen en in vloeibare kristallen.
Tot nu toe werd gedacht dat zulke effecten alleen mogelijk waren met ingewikkelde, asymmetrische, gedraaide moleculen. Dit onderzoek laat zien dat geometrie alleen soms al genoeg is.
Door hun specifieke vorm hebben deeltjes een lichte voorkeur voor hoe ze tegen hun buren aan liggen. Maar als je probeert uit te breiden naar grotere structuren, passen die voorkeuren niet meer.
Het systeem loopt hierdoor vast. Om dat probleem op te lossen, gaat het materiaal buigen, draaien of vervormen tot het weer past, en daaruit ontstaan complexe patronen.
Volgens de onderzoekers bestaan er een aantal ontwerpregels: langwerpige vormen leiden bijvoorbeeld vaker tot gedraaide structuren, en plattere vormen tot kolomachtige patronen. Uit vormen daar tussenin kunnen netwerkachtige materialen ontstaan.
De deeltjesvormen die de onderzoekers gebruikten, zijn in principe maakbaar met bestaande technieken in de colloïdwetenschap.
De inzichten kunnen helpen bij het ontwerpen van nieuwe materialen, met bijvoorbeeld bijzondere optische of mechanische eigenschappen.
Op de figuur (boven): de onderzoekers bestudeerden harde, vervormde tetraëderachtige deeltjes. Door hun vorm rangschikken ze zich lokaal in een Pringle-vormig vlak, maar die ordening past niet overal tegelijk in drie dimensies, wat leidt tot complexe patronen.
