Les formes tridimensionnelles remplissent l'espace physique d'une certaine manière. Si vous versez des billes dans un bocal, les billes seront emballées au hasard dans le pot. Si vous avez soigneusement placé chaque bille, couche par couche dans le bocal de telle sorte que les billes d'une couche reposent dans les crevasses entre les billes de la couche en dessous, vous pouvez emballer quelques billes de plus dans le pot que s'il était emballé au hasard. Cela vous donnera l'emballage de la plus haute densité, ou le moins d'espace entre les particules.

Linus Pauling a appliqué cette idée de densité de tassement aux ions, et a proposé que les principes d'emballage conduisent à la formation de structures cristallines. La nature n'aime pas le vide, les particules doivent donc s'entasser dans la formation la plus dense ou la plus compacte. Dans le domaine de la science des matériaux, des cristaux colloïdaux et des super-réseaux de nanoparticules se forment par auto-assemblage de petites particules dans lesquelles les particules forment une structure thermodynamiquement stable. Les structures que forment les nanoparticules sont très souvent celles que l'on trouve dans les métaux conventionnels :cubique face centrée, cubique simple, et cubique centré sur le corps.

La théorie est que les principes d'emballage guident l'auto-assemblage des cristaux colloïdaux. Cependant, des chercheurs de l'Université du Michigan ont montré que le mécanisme d'ordonnancement des cristaux colloïdes ne causer particules à s'auto-assembler. Au lieu de cela, l'assemblage et l'emballage du cristal sont corrélés, pas causal. Par ailleurs, ils montrent que les principes de compactage peuvent ne pas être le meilleur outil de prédiction de la forme des cristaux colloïdaux. Leur travail apparaît dans Actes de l'Académie nationale des sciences .

En auto-assemblage, une structure thermodynamiquement stable est formée. Cette structure minimise l'énergie libre. Pour les colloïdes, cela se produit fréquemment lorsque l'entropie est à son maximum. Cependant, lors de l'étude des mécanismes qui guident l'auto-assemblage, les chercheurs examinent ce qui se passe dans des conditions extrêmes. A de très hautes pressions, plutôt que de maximiser l'entropie, les particules dures maximiseront la densité.

Pour étudier la question fondamentale de savoir si les principes d'emballage guident l'auto-assemblage, Cersonsky, et al. ont utilisé des méthodes de modélisation pour comparer trois termes de densité différents. Le premier est la densité d'auto-assemblage, qui est la densité la plus faible où l'auto-assemblage est observé. La seconde est la densité de début de tassement. Comme le nom l'indique, il s'agit de la densité la plus faible où le comportement de tassement est observé. Le troisième terme est la densité aléatoire de compactage rapproché, qui est la densité maximale que le système peut être trouvé dans un état désordonné.

Lorsque l'on examine des modèles mathématiques à des pressions très élevées (c'est-à-dire, pression infinie), il devrait y avoir une limite à laquelle les particules doivent être emballées. Les auteurs ont testé cette limite en utilisant les relations de Maxwell pour définir la densité de début de tassement. Si la densité d'auto-assemblage est approximativement égale à la densité de début de tassement, alors l'emballage guide probablement l'auto-assemblage. Cependant, si la densité d'auto-assemblage est inférieure à la densité de tassement, alors quelque chose d'autre que les règles d'emballage guide l'auto-assemblage. Par ailleurs, la densité de compactage est comparée à la densité de compactage aléatoire.

Cersonsky et al. ont constaté que dans tous les systèmes polyédriques qu'ils ont étudiés (FCC, SC, et BCC) la densité de tassement était supérieure à la densité de tassement aléatoire aléatoire, qui était supérieure à la densité minimale pour l'auto-assemblage. Ce résultat montre que la commande spontanée ne se produit pas à cause d'un mécanisme d'emballage et que ces systèmes ne peuvent pas être commandés par emballage. En d'autres termes, les règles d'emballage ne sont pas nécessairement prédictives des formes idéales pour l'auto-assemblage même si la structure d'emballage dense est la structure la plus thermodynamiquement stable.

Cet article s'est penché sur les nanoparticules qui n'étaient pas confinées. Selon Greg van Anders, professeur adjoint de physique et co-auteur de l'article, "Nous nous attendions à ce que nous trouvions que les colloïdes seraient commandés par emballage. Au lieu de cela, nous avons constaté qu'ils ne le font pas. C'est particulièrement surprenant parce que les particules ne s'entassent pas même lorsque les structures qu'elles forment sont des structures dites « compactes ».

Généralement en science des matériaux, les règles d'emballage sont utilisées pour prédire la forme optimale d'une nanostructure, mais vu ces résultats, la question devient si, et quand, les règles d'emballage peuvent être utilisées pour prédire la forme thermodynamiquement optimale pour l'auto-assemblage.

Il existe encore une certaine corrélation entre la forme du tassement et la forme optimale des particules, et donc, la forme de l'emballage peut être utile pour guider les prédictions, mais les formes d'emballage idéales ne devraient pas être l'objectif de l'assemblage de nanostructures. Le Dr van Anders souligne qu'il s'agit en fait d'une bonne nouvelle pour les personnes qui tentent de synthétiser des nanoparticules polyédriques qui s'auto-assemblent en nanostructures :

« Après avoir découvert que le mécanisme qui entraîne la formation de la structure n'est pas compact, nous avons réalisé que cela pourrait signifier que des particules parfaitement formées, qui emballer le plus densément, mais peut être techniquement difficile et coûteux à fabriquer, n'est peut-être pas la forme idéale pour les structures cibles."

© 2018 Phys.org