Selbstorganisation von aktiv sich verändernden Partikeln
Die Fähigkeit zur Selbstmontage ist in der Natur überall zu finden. Diese zu nutzen, insbesondere durch die Schaffung nanoskaliger Produkte, die sich selbst aus rekonfigurierbaren und adaptiven Bausteinenzusammensetzen, ist eine Art Heiliger Gral für Ingenieure. Die meisten Studien konzentrierten sich auf Komponenten mit Formen und Wechselwirkungen, die sich während des Montageprozesses nicht verändern (d.h. sie sind statisch). EU-finanzierte Wissenschaftler des Projekts "Active self-assembly" (ACTSA) bemühen sich um ein besseres Verständnis der aktiven Selbstorganisation durch theoretische Studien, Computersimulationen und Experimente. Die Frage, wie man Objekte im Raum am dichtesten packen kann, auch als Packungsproblem bekannt, fasziniert Wissenschaftler und Philosophen seit Jahrtausenden. Heute betrifft das Packen verschiedene Systeme in unterschiedlichsten Längenskalen: von Batterien und Katalysatoren bis hin zur Selbstorganisation von Nanopartikeln, Kolloiden und Biomolekülen. Trotz der Tatsache, dass die Eigenschaften so vieler Systeme von der Packung von unterschiedlich geformten Bauteilen abhängen, besitzen wir immer noch kein allgemeines Verständnis darüber, wie Packung in Abhängigkeit von der Partikelform variiert. In diesem Projekt führte man eine umfassende Studie darüber durch, wie Packung von der Form abhängt, indem die Packung von mehr als 55.000 Polyedern untersucht wurde. Die sich daraus ergebenden Dichte-Fläche-Diagramme können für Experimente zu Form und Packung verwendet werden, auf die gleiche Art und Weise, wie Phasendiagramme in der Chemie genutzt werden. Die Eigenschaften der Partikelform liefern in der Tat Informationen dazu, warum wir bestimmte Kristalle zusammensetzen, von einem zum anderen übergehen oder in kinetische Fallen treten können. Entropie moduliert die Anordnung der Teilchen und das Phasenverhalten von Kolloiden (Teilchen eines Stoffes, der in einem anderen dispergiert ist). Die Wissenschaftler von ACTSA quantifizierten die richtungsentropischen Kräfte, die dazu neigen, benachbarte Teilchen auszurichten. Das wichtigste Ergebnis dabei war ein Rahmen, um die Rolle der Form bei der Packung und der Selbstorganisation in experimentellen Systemen, bei denen andere Kräfte zur Organisation beitragen, zu quantifizieren. Schließlich konnte das Team zeigte, dass der Mechanismus in einer breiten Palette von Systemen auftritt. Die Forscher untersuchten auch emergente Phänomene in Systemen von Spinnern. Das sind Teilchen mit einer konstanten inneren Drehung im oder gegen den Uhrzeigersinn. Sie zeigten, dass die aktive Bewegung der ansonsten nicht wechselwirkenden starren Körper eine effektive Interaktion auslöst, die eine Drehung in die gleiche Richtung fördert. Dies kann zu selbstorganisatorischen und kooperativen Verhaltensweisen führen, die in Gleichgewichtssystemen (ohne applizierte Aktivität) nicht möglich sind. Die bisherigen Ergebnisse führten bereits zu drei Publikationen. Damit wird das Projekt voraussichtlich einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Kräfte, die die Selbstorganisation in Systemen mit komplex wechselwirkenden Teilchen antreiben, leisten. Dies wiederum könnte Ingenieuren und Designern helfen, neue Materialsysteme mit biomimetischer Selbstorganisationsfähigkeit für Nanomaschinen einer neuen Ära zu schaffen.
Schlüsselbegriffe
Selbstorganisation, Partikel, Biomedizin, Materialwissenschaften, entropische Kräfte
