Las partículas en parches son partículas coloidales a microescala o nanoescala que tienen un patrón anisotrópico, ya sea mediante la modificación de la química de la superficie de la partícula ("parches entálpicos"), [1] a través de la forma de las partículas ("parches entrópicos"), [2] o ambos. [3] Las partículas tienen un núcleo repulsivo y superficies altamente interactivas que permiten este ensamblaje. [2] La colocación de estos parches en la superficie de una partícula promueve la unión con parches en otras partículas. Las partículas parcheadas se utilizan como forma abreviada para modelar coloides anisotrópicos, [1] proteínas [4] y agua [5] y para diseñar enfoques para la síntesis de nanopartículas. [6]Las partículas irregulares varían en valencia desde dos ( partículas de Janus ) o más. [7] Las partículas irregulares de valencia tres o más experimentan una separación de fase líquido-líquido. [8] [9] Algunos diagramas de fase de partículas irregulares no siguen la ley de los diámetros rectilíneos. [8]
Ensamblaje de partículas irregulares
Simulaciones
La interacción entre partículas irregulares se puede describir mediante una combinación de dos potenciales discontinuos. Un potencial de esfera dura que explica la repulsión entre los núcleos de las partículas y un potencial cuadrado atractivo para la atracción entre los parches . [8] [9] Con el potencial de interacción en la mano, se pueden usar diferentes métodos para calcular las propiedades termodinámicas.
Dinámica molecular
El uso de una representación continua [8] del potencial discontinuo descrito anteriormente permite la simulación de partículas irregulares utilizando dinámica molecular.
Monte Carlo
Una simulación realizada implica un método de Monte Carlo , donde el mejor "movimiento" asegura el equilibrio en la partícula. Un tipo de movimiento es la rototraducción. Esto se lleva a cabo eligiendo una partícula aleatoria, desplazamientos angulares y radiales aleatorios y un eje de rotación aleatorio. [10] Los grados de libertad de rotación deben determinarse antes de la simulación. Luego, la partícula se gira / mueve de acuerdo con estos valores. Además, el paso de tiempo de integración debe controlarse porque afectará la forma / tamaño resultante de la partícula. Otra simulación realizada es el conjunto gran canónico. En el gran conjunto canónico, el sistema está en equilibrio con un baño termal y un depósito de partículas. [10] El volumen, la temperatura y el potencial químico son fijos. Debido a estas constantes, un número de partículas (n) cambia. Suele utilizarse para supervisar el comportamiento de las fases. Con estos movimientos adicionales, la partícula se agrega con una orientación y una posición aleatorias.
Otras simulaciones involucran movimientos de Monte Carlo sesgados. Un tipo son los movimientos de sesgo de volumen de agregación. Consta de 2 movimientos; el primero intenta formar un enlace entre dos partículas previamente no unidas, el segundo intenta romper un enlace existente por separación. Los movimientos de polarización de volumen de agregación reflejan el siguiente procedimiento: se eligen dos partículas, I y J, que no son partículas vecinas, la partícula J se mueve dentro del volumen de enlace de la partícula I. Este proceso se lleva a cabo de manera uniforme. Otro movimiento de polarización de volumen de agregación sigue un método de elegir aleatoriamente una partícula J que está unida a I. La partícula J se mueve luego fuera del volumen de enlace de la partícula I, lo que da como resultado que las dos partículas ya no estén unidas. [10] Un tercer tipo de movimiento de polarización de volumen de agregación toma una partícula I unida a la partícula J y la inserta en una tercera partícula.
El gran conjunto canónico se mejora mediante movimientos de sesgo de volumen de agregación. Cuando se aplican movimientos de polarización de volumen de agregación, la tasa de formación y agotamiento de monómeros aumenta y los movimientos del conjunto gran canónico aumentan.
Una segunda simulación de Monte Carlo sesgada es el movimiento virtual Monte Carlo. Este es un algoritmo de movimiento de clúster. Se hizo para mejorar los tiempos de relajación en sistemas de baja densidad que interactúan fuertemente y para aproximar mejor la dinámica de difusión en el sistema. [10] Esta simulación es buena para sistemas poliméricos y de autoensamblaje que pueden encontrar movimientos naturales que relajan el sistema.
Autoensamblaje
El autoensamblaje también es un método para crear partículas irregulares. Este método permite la formación de estructuras complejas como cadenas, láminas, anillos, icosaedros, pirámides cuadradas, tetraedros y estructuras de escaleras retorcidas. [1] Al recubrir la superficie de las partículas con parches altamente anisotrópicos, altamente direccionales y de interacción débil, la disposición de los parches atractivos puede organizar las partículas desordenadas en estructuras. El recubrimiento y la disposición de los atractivos parches es lo que contribuye al tamaño, forma y estructura de la partícula resultante. [1]
Autoensamblaje de valencia emergente
Desarrollo de parches entrópicos que se autoensamblarán en estructuras cuasicristalinas cúbicas simples , cúbicas centradas en el cuerpo (bcc), romboidales y dodecagonales. El caparazón de coordinación local dicta parcialmente la estructura que se ensambla. [2] Las esferas se simulan con facetas cúbicas, octaédricas y tetraédricas. Esto permite que los parches entrópicos se autoensamblen.
Las esferas tetraédricas facetadas se dirigen comenzando con esferas simples. En coordinación con las caras de un tetraedro, la esfera se corta en cuatro facetas iguales. Se realizaron simulaciones de Monte Carlo para determinar diferentes formas de α, la cantidad de facetas. [2] La cantidad de facetado particular determina la celosía que se ensambla. Las celosías cúbicas simples se logran de una manera similar cortando facetas cúbicas en esferas. Esto permite el montaje de celosías cúbicas simples. Un cristal bcc se logra facetando una esfera octaédricamente. [2]
La cantidad de facetado, α, se usa en el autoensamblaje de valencia emergente para determinar qué estructura cristalina se formará. Una esfera perfecta se establece como α = 0. La forma que se faceta a la esfera se define en α = 1. [2] Al hacer fluctuar la cantidad de facetas entre α = 0 y α = 1, la red puede cambiar. Los cambios incluyen efectos sobre el autoensamblaje, la estructura de empaquetamiento, la cantidad de coordinación del parche de facetado con la esfera, la forma del parche de facetado, el tipo de red cristalina formada y la fuerza del parche entrópico. [2]
Ver también
Referencias
- ^ a b c d Zhang, Zhenli; Glotzer, Sharon C. (2004). "Autoensamblaje de partículas irregulares". Nano Letras . 4 (8): 1407–1413. Código Bibliográfico : 2004NanoL ... 4.1407Z . doi : 10.1021 / nl0493500 . PMID 29048902 .
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Lectura relacionada
- Amar B. Pawar e Ilona Kretzschmar "Fabricación, ensamblaje y aplicación de partículas irregulares ", Macromolecular Rapid Communications 31 págs. 150-168 (2010)
- Willem K. Kegel y Henk NW Lekkerkerker "Geles coloidales: la arcilla se vuelve irregular", Nature Materials 10 págs. 5-6 (2011)
- Zhenping He e Ilona Kretzschmar "Fabricación asistida por plantilla de partículas en parches con parches uniformes", Langmuir 28 págs. 9915-9919 (2011)
- Página de SKlogWiki sobre partículas irregulares