(Phys.org) - Los investigadores que intentan agrupar partículas diminutas en formaciones ordenadas útiles han encontrado un aliado poco probable:la entropía, una tendencia generalmente descrita como "desorden".

Las simulaciones por computadora realizadas por científicos e ingenieros de la Universidad de Michigan muestran que la propiedad puede empujar partículas para formar estructuras organizadas. Analizando las formas de las partículas de antemano, incluso pueden predecir qué tipo de estructuras se formarán.

Los resultados, publicado en la edición de esta semana de Ciencias , ayude a sentar las reglas básicas para la fabricación de materiales de diseño con capacidades increíbles, como pieles que cambian de forma para camuflar un vehículo u optimizar su aerodinámica.

La física y profesora de ingeniería química Sharon Glotzer propone que tales materiales podrían diseñarse trabajando hacia atrás a partir de las propiedades deseadas para generar un plano. Luego, ese diseño se puede realizar con nanopartículas, partículas mil veces más pequeñas que el ancho de un cabello humano que pueden combinarse de formas que serían imposibles con la química ordinaria solamente.

Uno de los principales desafíos es persuadir a las nanopartículas para que creen las estructuras deseadas, pero estudios recientes del grupo de Glotzer y otros mostraron que algunas formas de partículas simples lo hacen de manera espontánea cuando las partículas se apiñan. El equipo se preguntó si otras formas de partículas podrían hacer lo mismo.

"Estudiamos 145 formas diferentes, y eso nos dio más datos de los que nadie ha tenido sobre este tipo de formadores de cristales potenciales, "Dijo Glotzer". Con tanta información, podríamos comenzar a ver cuántas estructuras son posibles solo a partir de la forma de las partículas, y busque tendencias ".

Usando código de computadora escrito por el investigador de investigación en ingeniería química Michael Engel, el estudiante graduado de física aplicada Pablo Damasceno realizó miles de experimentos virtuales, explorando cómo se comportaba cada forma en diferentes niveles de hacinamiento. El programa podría manejar cualquier forma poliédrica, como dados con cualquier número de lados.

Dejados a sus propios dispositivos, las partículas a la deriva encuentran los arreglos con la entropía más alta. Ese arreglo coincide con la idea de que la entropía es un desorden si las partículas tienen suficiente espacio:se dispersan, apuntado en direcciones aleatorias. Pero apretujado las partículas comenzaron a formar estructuras cristalinas como lo hacen los átomos, aunque no podían formar enlaces. Estos cristales ordenados tenían que ser los arreglos de alta entropía, también.

Glotzer explica que esto no es realmente un desorden que crea orden:la entropía necesita que se actualice su imagen. En lugar de, lo describe como una medida de posibilidades. Si pudieras apagar la gravedad y vaciar una bolsa llena de dados en un frasco, los dados flotantes apuntarían en todas direcciones. Sin embargo, si sigues agregando dados, eventualmente, el espacio se vuelve tan limitado que los dados tienen más opciones para alinearse cara a cara. Lo mismo ocurre con las nanopartículas, que son tan pequeños que sienten la influencia de la entropía con más fuerza que la de la gravedad.

"Se trata de opciones. En este caso, los arreglos ordenados producen la mayor cantidad de posibilidades, la mayoría de las opciones. Es contradictorio para estar seguro, "Dijo Glotzer.

Los resultados de la simulación mostraron que casi el 70 por ciento de las formas probadas produjeron estructuras cristalinas solo bajo entropía. Pero lo sorprendente fue lo complicadas que eran algunas de estas estructuras, con hasta 52 partículas involucradas en el patrón que se repite en todo el cristal.

"Esa es una estructura cristalina extraordinariamente compleja incluso para que se formen los átomos, y mucho menos partículas que no pueden unirse químicamente, "Dijo Glotzer.

Las formas de las partículas produjeron tres tipos de cristales:cristales regulares como la sal, cristales líquidos como los que se encuentran en algunos televisores de pantalla plana y cristales de plástico en los que las partículas pueden girar en su lugar. Al analizar la forma de la partícula y cómo se comportan los grupos de ellas antes de cristalizar, Damasceno dijo que es posible predecir qué tipo de cristal producirían las partículas.

"La geometría de las partículas en sí guarda el secreto de su comportamiento de ensamblaje, " él dijo.

Por qué el otro 30 por ciento nunca formó estructuras cristalinas, quedando como vasos desordenados, es un misterio.

"Es posible que todavía quieran formar cristales, pero se atascaron. Lo bueno es que para cualquier partícula que se atasque, teníamos otro, formas terriblemente similares formando cristales, "Dijo Glotzer.

Además de descubrir más sobre cómo convertir nanopartículas en estructuras, su equipo también intentará descubrir por qué algunas formas se resisten al orden.