«Эти результаты показывают возможность конструирования свойств материалов с использованием не только температуры, но и использования ряда методов для управления мельчайшими частицами», — объясняет Ланг Фенг, ведущий автор исследования и докторант Нью-Йоркского университета в то время, когда оно был проведен.Исследование, опубликованное в журнале Nature Materials, показывает, что хорошо известный принцип Златовласки, который утверждает, что успех находится в середине, а не в крайностях, не обязательно применим к мельчайшим частицам.
Основное внимание в исследовании уделяется полимерам и коллоидам — частицам размером от одной миллиардной и одной миллионной метра соответственно.Эти материалы и то, как они образуются, представляют значительный интерес для ученых, потому что они являются основой для множества потребительских товаров. Например, коллоидные дисперсии включают такие предметы повседневного обихода, как краски, молоко, желатин, стекло и фарфор, а также для передовых технологий, таких как управляющий свет в фотонике.
Лучшее понимание образования полимеров и коллоидов дает ученым возможность использовать эти частицы и создавать новые и улучшенные материалы — возможности, которые в настоящее время в значительной степени не используются или находятся в относительно рудиментарной форме.В исследовании Nature Materials исследователи изучали полимеры и более крупные коллоидные кристаллы при температуре от комнатной до 85 ° C.При комнатной температуре полимеры действуют как газ, сталкиваясь с более крупными частицами и создавая давление, которое заставляет их объединяться, если расстояние между частицами слишком мало, чтобы пропустить полимер. Фактически, коллоиды образуют кристалл, используя этот процесс, известный как взаимодействие истощения — притягивающая энтропийная сила, которая является динамикой, которая возникает в результате максимизации случайного движения полимеров и диапазона пространства, которое они могут свободно исследовать.
Как обычно, кристаллы плавятся при нагревании, но неожиданно при дальнейшем нагревании снова затвердевают. Новое твердое вещество представляет собой желеобразное вещество, в котором полимеры прилипают к коллоидам и склеивают их вместе. Это твердое вещество намного мягче, податливее и более открытое, чем кристалл.
Этот результат, как наблюдают исследователи, отражает энтальпическое притяжение — адгезионную энергию, генерируемую более высокими температурами и стимулирующую связь между частицами. Напротив, при средних температурах условия были слишком теплыми, чтобы приспособиться к энтропийной силе, но слишком холодными, чтобы вызвать энтальпическое притяжение.Ланг, ныне старший научный сотрудник ExxonMobil, отмечает, что открытие может иметь потенциал для 3D-печати. В настоящее время эта технология позволяет создавать 3D-структуры из двухмерных слоев.
Однако полученные структуры относительно рудиментарны по своей природе. Усовершенствовав способы манипулирования частицами на микроскопическом уровне, эти машины могли бы начать создавать более детализированные и реалистичные объекты, чем это возможно в настоящее время.
Эта работа частично поддерживается программой MRSEC Национального научного фонда (DMR-0820341), NASA (NNX08AK04G) и Министерством энергетики (DE-SC0007991).