Meter varios pares de zapatos en una maleta de vacaciones, retorciéndolos y volteándolos en diferentes arreglos para adaptarse a cada par necesario, es un problema de optimización familiar al que se enfrentan los viajeros estresados. Este mismo problema es bien conocido por los ingenieros:cuando se les da una cantidad de objetos con una forma particular, ¿cómo pueden empaquetarse en un contenedor? ¿Y qué patrón formará ese empaque?

A diferencia del contenido de una maleta, la forma en que se empaquetan las partículas microscópicas se puede utilizar para diseñar las características de los materiales que forman; por ejemplo, cómo viaja la luz o la electricidad. Los científicos de materiales han estudiado durante mucho tiempo cómo el ensamblaje de partículas en un espacio confinado puede usarse como una herramienta para otorgar nuevas habilidades a los materiales, pero aún no se comprende cómo las partículas con formas únicas interactúan con una barrera.

Un nuevo estudio realizado por investigadores del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Cornell usó simulaciones por computadora para mostrar cómo el ensamblaje de tetraedros truncados en el vértice, una forma de partícula que tiene cuatro caras hexagonales y cuatro caras triangulares, se ve afectado cuando está confinado dentro de un contenedor esférico. Los hallazgos, publicados en la revista Soft Matter , ofrecen a los científicos de materiales un nuevo método para controlar la estructura de ensamblaje y las características del material resultante.

"Solía ​​ser que los teóricos hacían principalmente simulaciones con esferas porque la mayoría de las partículas son más o menos esféricas, y computacionalmente eso era más fácil", dijo Rachael Skye, estudiante de doctorado y primera autora del estudio, "pero los experimentadores siguen encontrando formas emocionantes de controlan la forma y ahora pueden crear partículas coloidales como tetraedros, octaedros o cubos. Con la potencia informática avanzada, podemos simular estas formas, pero también ir más allá y predecir qué partículas nuevas, aún no sintetizadas, podrían hacer".

Para ayudar a llenar el vacío de conocimiento sobre cómo se ensamblan estas formas de partículas en confinamiento, Skye y la autora principal del estudio, Julia Dshemuchadse, profesora asistente de ciencia e ingeniería de materiales, simularon ensamblajes de partículas tetraédricas en contenedores esféricos. Cada uno contenía tan solo cuatro partículas y hasta 10.000. En cada simulación, el contenedor se encogería lo más posible con el número programado de partículas en su interior.

"Esta simulación imita cómo se producen algunos materiales coloidales, con partículas colocadas dentro de una gota de líquido que se contrae a medida que se evapora", dijo Dshemuchadse.

Estas partículas pueden encajar juntas de varias maneras, pero hay dos motivos distintos:alineadas, con caras hexagonales adyacentes, o antialineadas, con una cara hexagonal adyacente a una triangular. Cada motivo impulsa una estructura general que se ajusta a los bordes de los contenedores de manera diferente.

"Si tiene estas partículas antialineadas, entonces puede formar capas planas muy bien y apilarlas infinitamente anchas, formando un cristal realmente bueno", dijo Dshemuchadse, quien agregó que este motivo se ve favorecido cuando se simula una gran cantidad de partículas porque el contenedor más grande el tamaño tiene una curvatura más pequeña, "pero si tiene las partículas alineadas, la estructura puede formar un motivo curvo que encaja mejor en una capa esférica. Con un número pequeño de partículas, el motivo alineado se ve favorecido porque los contenedores más pequeños tienen grandes curvaturas". /P>

Los hallazgos brindan a los científicos de materiales un método para hacer crecer cristales grandes en sistemas de partículas que normalmente no se ensamblan en estructuras ordenadas. Otros métodos para lograr un cristal bien ordenado implican técnicas como "sembrar" el material con partículas restringidas en orientaciones especializadas que impulsan la estructura correspondiente, pero tales métodos requieren la fabricación de nuevos tipos de partículas, lo que sería menos sencillo en una realización experimental de estos sistemas. Por el contrario, la formación de cristales en un sustrato plano suele ser la norma, y ​​este estudio señala cómo esta técnica puede beneficiar a la estructura resultante.

"Los cristales coloidales tienden a ser pequeños y llenos de defectos, pero para que sean útiles en la mayoría de las aplicaciones, deben ser bastante grandes y libres de defectos", dijo Skye. "La idea es que, al elegir correctamente el contenedor o la pared, puedas hacer un cristal mucho más grande y de mejor calidad de lo que podrías hacer de otra manera".

Skye agregó que en campos como la plasmónica y la fotónica, esta técnica de ensamblaje se puede utilizar para orientar la misma partícula de dos maneras diferentes, lo que permite a los ingenieros crear dispositivos que tienen diferentes respuestas según la formación de ensamblaje elegida. + Explora más

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