Hoe eenvoudige geometrie tot complexe materialen kan leiden

UU-onderzoekers Rodolfo Subert en Marjolein Dijkstra laten in hun nieuwste studie zien dat complexe 3D-netwerken in materialen kunnen ontstaan als gevolg van niets meer dan de vorm van de deeltjes. In Nature Communications beschrijven ze hoe eenvoudige geometrische vormen, samen met entropie, lagen, netwerken en zelfs spontane links- en rechtsdraaiing kunnen opleveren. Dit laatste werd tot nu toe vooral gekoppeld aan complexe moleculen.

Materialen kunnen zichzelf goed organiseren: moleculen kunnen zich bijvoorbeeld tot membranen vormen en kristallen kunnen zichzelf ordenen in roosters. Die structuren zien er bijzonder uit, maar ze zijn ook erg handig en liggen aan de basis van de technologie achter beeldschermen, medische materialen en slimme sensoren.

De gebruikelijke gedachte is dat er ingewikkelde oorzaken achter die orde zitten, zoals lading, reacties en interacties tussen deeltjes. Maar Rodolfo Subert en Marjolein Dijkstra laten zien dat het soms veel simpeler kan. In hun laatste studie tonen ze aan dat puur de vorm van de bouwstenen al genoeg kan zijn om ingewikkelde, georganiseerde patronen te laten ontstaan.  

Orde zonder aantrekking

De onderzoekers werkten met simulaties van virtuele deeltjes in een computer. Aan hun onderzoek kwamen geen echte moleculen met elektrische ladingen of verbindingen te pas, maar ze gingen uit van harde, hoekige vormen waarvan de enige eis was dat ze niet mochten overlappen met elkaar.

In die simulaties zagen ze dat, wanneer de deeltjes dicht genoeg op elkaar zaten, ze zich vanzelf begonnen te organiseren. Eerst in lagen, daarna in kolommen en driedimensionale netwerken. Entropie, de natuurlijke neiging van systemen om in de meest waarschijnlijke toestand terecht te komen, helpt daarbij. Sommige geordende structuren blijken simpelweg logischer voor deeltjes dan wanorde. 

Spontane draaiing

Uiteindelijk ontstonden er zelfs structuren met een duidelijke links- of rechtsdraaiing. Dat de deeltjes zomaar gingen draaien was een verrassing voor de onderzoekers, vertelt Marjolein Dijkstra. “De deeltjes zelf zijn niet gedraaid, maar samen vormen ze toch een patroon met een voorkeur voor links of rechts. Die richting zit nergens ingebouwd.”

Wanneer deeltjes een bepaalde kant op draaien, heet dat chiraliteit. Chirale deeltjes spelen een grote rol in biologische systemen en in vloeibare kristallen. Tot nu toe werd gedacht dat zulke effecten alleen mogelijk waren met ingewikkelde, asymmetrische, gedraaide moleculen. Dit onderzoek laat zien dat geometrie alleen soms al genoeg is.

De deeltjes zelf zijn niet gedraaid, maar samen vormen ze toch een patroon met een voorkeur voor links of rechts. Die richting zit nergens ingebouwd

Geometrie

Door hun specifieke vorm hebben deeltjes een lichte voorkeur voor hoe ze tegen hun buren aan liggen. Maar wanneer je probeert uit te breiden naar grotere structuren, passen die voorkeuren niet meer. Het systeem loopt hierdoor vast. Om dat probleem op te lossen, gaat het materiaal buigen, draaien of vervormen tot het weer past, en daaruit ontstaan complexe patronen. 

Materiaalontwerp

Hoewel het onderzoek uit simulaties bestaat, is het niet alleen relevant als fundamenteel onderzoek. De deeltjesvormen die de onderzoekers gebruikten in deze studie, zijn in principe maakbaar met bestaande technieken in de colloïdwetenschap. Dat betekent dat de inzichten kunnen helpen bij het ontwerpen van nieuwe materialen, met bijvoorbeeld bijzondere optische of mechanische eigenschappen. 

Volgens de onderzoekers bestaan er een aantal ontwerpregels: langwerpige vormen leiden bijvoorbeeld vaker tot gedraaide structuren, en plattere vormen tot kolomachtige patronen. Uit vormen daar tussenin kunnen netwerkachtige materialen ontstaan. Onderzoeker Rodolfo Subert legt uit dat dit soort eenvoudige regels belangrijk zijn om de kennis over het gedrag van materialen verder te ontwikkelen. “In ons onderzoek laten we zien dat er soms verrassend simpele principes ten grondslag liggen aan ingewikkelde patronen”, zegt hij.