L'entropie, une propriété physique souvent qualifiée de « désordre », se révèle être un créateur d'ordre avec une nouvelle théorie de la liaison développée à l'Université du Michigan et publiée dans les Proceedings of the National Academy of Sciences .

Les ingénieurs rêvent d'utiliser des nanoparticules pour construire des matériaux de conception, et la nouvelle théorie peut aider à guider les efforts visant à assembler les nanoparticules en structures utiles. La théorie explique les résultats antérieurs explorant la formation de structures cristallines par des nanoparticules restreintes dans l'espace, permettant de quantifier l'entropie et de l'exploiter dans les efforts futurs.

Et curieusement, l'ensemble des équations qui régissent les interactions des nanoparticules dues à l'entropie reflètent celles qui décrivent la liaison chimique. Sharon Glotzer, directrice du département de génie chimique Anthony C. Lembke, et Thi Vo, chercheuse postdoctorale en génie chimique, ont répondu à quelques questions sur leur nouvelle théorie.

Qu'est-ce que la liaison entropique ?

Glotzer :"La liaison entropique est un moyen d'expliquer comment les nanoparticules interagissent pour former des structures cristallines. C'est analogue aux liaisons chimiques formées par les atomes. Mais contrairement aux atomes, il n'y a pas d'interactions électroniques qui maintiennent ces nanoparticules ensemble. Au lieu de cela, l'attraction survient à cause de entropie."

"Souvent, l'entropie est associée au désordre, mais il s'agit vraiment d'options. Lorsque les nanoparticules sont entassées et que les options sont limitées, il s'avère que l'arrangement le plus probable des nanoparticules peut être une structure cristalline particulière. Cette structure donne au système le plus d'options. , et donc l'entropie la plus élevée. De grandes forces entropiques apparaissent lorsque les particules se rapprochent les unes des autres."

"En faisant les études les plus approfondies sur les formes des particules et les cristaux qu'elles forment, mon groupe a découvert que lorsque vous modifiez la forme, vous modifiez la directionnalité de ces forces entropiques qui guident la formation de ces structures cristallines. Cette directionnalité simule une liaison, et puisqu'il est piloté par l'entropie, nous l'appelons la liaison entropique."

Pourquoi est-ce important ?

Glotzer :"La contribution de l'entropie à la création d'ordre est souvent négligée lors de la conception de nanoparticules pour l'auto-assemblage, mais c'est une erreur. Si l'entropie aide votre système à s'organiser, vous n'aurez peut-être pas besoin de concevoir une attraction explicite entre les particules, par exemple en utilisant de l'ADN ou d'autres molécules collantes - avec une interaction aussi forte que vous le pensiez. Grâce à notre nouvelle théorie, nous pouvons calculer la force de ces liaisons entropiques."

"Bien que nous sachions que les interactions entropiques peuvent être directionnelles comme les liaisons, notre percée est que nous pouvons décrire ces liaisons avec une théorie qui correspond ligne pour ligne à la théorie que vous écririez pour les interactions électroniques dans les liaisons chimiques réelles. C'est Je suis étonné qu'il soit même possible de faire cela. Mathématiquement parlant, cela met les liaisons chimiques et les liaisons entropiques sur le même pied. C'est à la fois fondamentalement important pour notre compréhension de la matière et pratiquement important pour la fabrication de nouveaux matériaux. P>

Les électrons sont cependant la clé de ces équations chimiques. Comment avez-vous fait cela lorsqu'aucune particule n'intervient dans les interactions entre vos nanoparticules ?

Glotzer :"L'entropie est liée à l'espace libre dans le système, mais pendant des années, je n'ai pas su compter cet espace. La grande idée de Thi était que nous pouvions compter cet espace en utilisant des particules ponctuelles fictives. Et cela nous a donné l'analogue mathématique des électrons."

Vo:"Les pseudoparticules se déplacent dans le système et remplissent les espaces difficiles à remplir pour une autre nanoparticule - nous appelons cela le volume exclu autour de chaque nanoparticule. Au fur et à mesure que les nanoparticules deviennent plus ordonnées, le volume exclu autour d'elles devient plus petit et le la concentration de pseudoparticules dans ces régions augmente. Les liaisons entropiques sont là où cette concentration est la plus élevée."

"Dans des conditions de surpeuplement, l'entropie perdue en augmentant l'ordre est compensée par l'entropie gagnée en réduisant le volume exclu. En conséquence, la configuration avec l'entropie la plus élevée sera celle où les pseudoparticules occupent le moins d'espace." + Explorer plus loin

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