Die Bildung von Nanomaterialien simulieren
Nanopartikelkristalle sind in vielen Anwendungsbereichen beheimatet: Nanoelektronik, hochdichte Datenspeicher, Katalyse, auch biomedizinische Materialien. Wir wissen, dass natürliche Kräfte unter bestimmten Bedingungen das Zusammensetzen von Nanoteilchen zu geordneten neuartigen Strukturen anregen. Allerdings ist über das komplizierte Zusammenspiel der Kräfte zwischen den Partikeln, die Packungsbedingungen und die Dynamik des Ganzen noch zuwenig bekannt. Dies erschwert die Gestaltung und die Steuerung der Funktionalität derartiger Materialien, was Schwierigkeiten bei deren Anwendbarkeit bereitet. Um dieses Problem zu lösen, setzte das von der EU finanzierte Nanosym-Projekt ("Simulation of directed self-assembly of nanocrystals") eine Kombination verschiedener Simulationsverfahren ein, um die Stabilität und die Keimbildungsbarriere nanokolloider Kristalle vorherzusagen. Im Einzelnen entwickelten die Nanosym-Wissenschaftler moderne theoretische und computergestützte Verfahren zur Definition freier Energien an Grenzflächen zwischen fest und flüssig sowie zur Unterstützung des Entwurfs nanopartikelbasierter Kristalle. Diese Verfahren wurden an einer Vielzahl von Systemen getestet, auch an harten Kugeln und Polymer-Kolloid-Mischungen. Die Wissenschaftler erkundeten die Bildung von Kolloidgittern mit kubischen, hexagonalen, tetragonalen und orthorhombischen Symmetrien mit Hilfe supermoderner Computerausstattung. Die Strukturvielfalt war auf das Gleichgewicht der elektrischen Ladungen und Dipolmomente zurückzuführen. Letztlich konnte ein Modell zur Vorhersage der Wechselwirkung von Nanokolloiden entworfen werden, das Daten zur elektrophoretischen Mobilität und Temperaturabhängigkeit der Strukturen des binären Nanopartikel-Übergitters (binary nanoparticle superlattice, BNSL) einbezieht. Die von Nanosym entwickelte Simulationstechnologie stellt ein unschätzbares Werkzeug zur Vorhersage der Selbstorganisation von Nanomaterialien dar. Der Einsatz dieses Systems wird zum Design neuartiger Nanomaterialien mit funktionalisierten Eigenschaften beitragen.
