Des chercheurs de Cornell ont utilisé des simulations informatiques pour montrer comment l'assemblage de tétraèdres à sommets tronqués est affecté lorsqu'il est confiné à l'intérieur d'un conteneur sphérique. Les résultats offrent aux spécialistes des matériaux une nouvelle méthode pour contrôler la structure d'assemblage et les caractéristiques du matériau résultant. Crédit :Rachael Skye
Entailler plusieurs paires de chaussures dans une valise de vacances, les tordre et les retourner dans différents arrangements pour s'adapter à chaque paire nécessaire, est un problème d'optimisation familier auquel sont confrontés les voyageurs pressés. Ce même problème est bien connu des ingénieurs :lorsqu'on leur donne un certain nombre d'objets avec une forme particulière, comment peuvent-ils être emballés dans un conteneur ? Et quel modèle cet emballage formera-t-il ?
Contrairement au contenu d'une valise, la manière dont les particules microscopiques sont emballées ensemble peut être utilisée pour concevoir les caractéristiques des matériaux qu'elles forment; par exemple, comment la lumière ou l'électricité se propagent. Les scientifiques des matériaux étudient depuis longtemps comment l'assemblage de particules dans un espace confiné peut être utilisé comme un outil pour donner aux matériaux de nouvelles capacités, mais la façon dont les particules aux formes uniques interagissent avec une barrière reste mal comprise.
Une nouvelle étude menée par des chercheurs du Département de science et d'ingénierie des matériaux de l'Université Cornell a utilisé des simulations informatiques pour montrer comment l'assemblage de tétraèdres à sommets tronqués - une forme de particule qui a quatre faces hexagonales et quatre faces triangulaires - est affecté lorsqu'il est confiné à l'intérieur d'un récipient sphérique. Les résultats, publiés dans la revue Soft Matter , offrent aux scientifiques des matériaux une nouvelle méthode pour contrôler la structure d'assemblage et les caractéristiques du matériau résultant.
Simulations de 10 000 particules dans des conteneurs sphériques, (a–c) vues de l'extérieur et (d–f) en coupes transversales. Trois formes différentes sont mises en évidence :les tétraèdres platoniques (a et d), les tétraèdres tronqués remplissant l'espace (b et e) et les tétraèdres tronqués d'Archimède (c et f). La coloration correspond aux environnements de particules locaux :les bleus représentent les particules qui sont principalement de sommet à sommet, et les oranges correspondent à la majorité de sommet à bord. Les particules blanches ne sont pas classées. Les simulations montrent qu'un mur peut modifier le comportement des particules à proximité, permettant aux chercheurs d'assembler sélectivement différentes structures. Crédit :Rachael Skye
"Auparavant, les théoriciens faisaient principalement des simulations avec des sphères parce que la plupart des particules sont à peu près sphériques, et c'était plus simple en termes de calcul", a déclaré Rachael Skye, doctorante et première auteure de l'étude, "mais les expérimentateurs continuent de proposer des moyens passionnants de contrôler la forme et maintenant ils peuvent créer des particules colloïdales comme des tétraèdres, des octaèdres ou des cubes. Avec une puissance de calcul avancée, nous pouvons simuler ces formes, mais aussi aller plus loin et prédire ce que pourraient faire de nouvelles particules non encore synthétisées."
Pour aider à combler le manque de connaissances sur la façon dont ces formes de particules s'assemblent en confinement, Skye et l'auteur principal de l'étude, Julia Dshemuchadse, professeure adjointe de science et d'ingénierie des matériaux, ont simulé des assemblages de particules tétraédriques dans des conteneurs sphériques. Chacun contenait aussi peu que quatre particules et jusqu'à 10 000. Dans chaque simulation, le conteneur rétrécirait autant que possible avec le nombre programmé de particules à l'intérieur.
"Cette simulation imite la façon dont certains matériaux colloïdaux sont produits, avec des particules placées à l'intérieur d'une gouttelette de liquide qui se contracte en s'évaporant", a déclaré Dshemuchadse.
Ces particules peuvent s'emboîter de plusieurs façons, mais il existe deux motifs distincts :alignés, avec des faces hexagonales adjacentes, ou anti-alignés, avec une face hexagonale adjacente à une face triangulaire. Chaque motif entraîne une structure globale qui se conforme différemment aux bordures des conteneurs.
Un exemple d'amas colloïdal d'auto-assemblage confiné dans une gouttelette d'émulsion eau-dans-huile, un projet mené par l'Université Friedrich-Alexander d'Erlangen-Nürnberg. Les simulations de Cornell pourraient aider à contrôler l'assemblage des futurs matériaux colloïdaux. Crédit :Wang, J., Mbah, C.F., Przybilla, T. et al. Amas colloïdaux de nombres magiques comme structures d'énergie libre minimales. Nat Commun
"Si vous avez ces particules anti-alignées, vous pouvez très bien former des couches plates et les empiler à l'infini, ce qui en fait un très bon cristal", a déclaré Dshemuchadse, qui a ajouté que ce motif est privilégié lors de la simulation d'un grand nombre de particules car le plus grand conteneur la taille a une courbure plus petite, "mais si vous avez les particules alignées, la structure peut former un motif incurvé qui s'intègre mieux dans une coque sphérique. À un petit nombre de particules, le motif aligné est favorisé car les plus petits conteneurs ont de grandes courbures."
Les résultats fournissent aux scientifiques des matériaux une méthode pour faire croître de gros cristaux dans des systèmes de particules qui ne s'assemblent généralement pas en structures ordonnées. D'autres méthodes pour obtenir un cristal bien ordonné impliquent des techniques telles que "l'ensemencement" du matériau avec des particules contraintes dans des orientations spécialisées qui entraînent la structure correspondante, mais ces méthodes nécessitent la fabrication de nouveaux types de particules, ce qui serait moins simple dans une réalisation expérimentale de ces systèmes. En revanche, la formation de cristaux sur un substrat plat est souvent la norme, et cette étude montre comment cette technique peut bénéficier à la structure résultante.
"Les cristaux colloïdaux ont tendance à être petits et pleins de défauts, mais pour qu'ils soient utiles dans la plupart des applications, ils doivent être assez gros et sans défaut", a déclaré Skye. "L'idée est qu'en choisissant correctement votre conteneur ou votre mur, vous pouvez créer un cristal beaucoup plus gros et de meilleure qualité que vous ne le pourriez autrement."
Skye a ajouté que dans des domaines tels que la plasmonique et la photonique, cette technique d'assemblage peut être utilisée pour orienter la même particule de deux manières différentes, permettant aux ingénieurs de créer des dispositifs qui ont des réponses différentes en fonction de la formation d'assemblage choisie. Une construction ascendante avec une touche 2D pourrait produire de nouveaux matériaux
