[論文レビュー] Crossover Behavior in the Packing and Assembly of Multivalent Lock-and-Key Colloids

N. Khalid Ahmed, Greg van Anders+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2015

Pickering emulsions and particle stabilization被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、多価ロックアンドキーコロイドにおけるディンプル幾何学が、出現する自己集合およびパッケージング行動をどのように制御するかを調査している。シミュレーションと解析的モデルを用いて、粒子の対称性にほとんど依存しない普遍的な転移点を同定し、密なパッケージングと有限圧力下での自己集合の両状態で、異なる幾何学的パラメータが支配的であることを明らかにした。

ABSTRACT

Emergent behaviors occur in a vast array of systems across many scales, and are of fundamental physical importance because of the intrinsic difficulty in linking microscopic system properties to macroscopic behaviors. Here we study the emergent self-assembly behavior of model systems of recently synthesized families of concave dimpled hard spheres, or lock-and-key colloids. We find that as dimple size increases each family exhibits a crossover from a structure that does not reflect the particle symmetry to one that does and, surprisingly, the point at which this crossover occurs is approximately independent of the particle symmetry. Using a combination of numerical and analytic techniques we study systems at infinite and finite pressure, and find different common control parameters in each limit. Our results suggest there exists a set of experimentally realizable colloidal systems that exhibit complex emergent behaviors that can be traced to a common underlying microscopic control parameter.

研究の動機と目的

• 粒子幾何学、特にディンプルサイズと対称性が、多価ロックアンドキーコロイドにおける自己集合およびパッケージング行動をどのように制御するかを理解すること。
• 密なパッケージングと有限圧力下の自己集合の両極限において、構造的転移を予測する普遍的な幾何学的制御パラメータを同定すること。
• 非対称から対称反映型相への遷移が、粒子の対称性に依存するのか、それとも共通の微視的パラメータによって支配されるのかを特定すること。
• 所望のエンタルピー的パッチ強度と標的結晶構造を持つコロイド系を設計するための定量的ルールを確立すること。
• ディンプル体積とディンプリング量の関係、およびその相挙動の転移における役割を調査すること。

提案手法

• 有限圧力および密なパッケージング条件下での自己集合を調査するために、モンテカルロ法および分子動力学シミュレーションを用いた。
• さまざまなディンプル厚さパラメータ（γ）における単一および二重格子構造のパッケージング密度を導出するために、解析的計算を実施した。
• ディンプリング量（f）を、中心球と価結合球の間の距離をマッピングする幾何学的パラメータとして定義し、f=0が凸状、f=1が完全にディンプルされた粒子に対応する。
• ディンプリング量の関数として正規化された単一ディンプル体積（Vd）を計算し、粒子幾何学に非線形依存性があることを示した。
• さまざまなディンプリング量における最小パッケージング割合図を用いて、自己集合における相転移をマッピングした。
• 粒子の回転対称性と結晶格子の対称性の一致を分析し、構造的適合性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ディンプルサイズを増加させると、多価コロイドにおける非対称相から対称反映型結晶相への遷移にどのような影響を与えるか？
• RQ2 BCC/BCTから対称反映型相への転移点は、粒子の対称性や価数に依存するのか？
• RQ3 密なパッケージングと有限圧力下の自己集合において、転移を制御する幾何学的パラメータは何か？それらはどのように異なるか？
• RQ4 一定の単一ディンプル体積が、異なる粒子種や対称性においても相転移点と相関するか？
• RQ5 多価コロイドの自己集合が、幾何学的パラメータのみから、多孔質でエントロピー駆動の構造へと予測可能か？

主な発見

• BCC/BCTから対称反映型相への転移は、異なる粒子対称性や価数においてほぼ同じディンプルサイズで発生しており、普遍的な幾何学的制御パラメータであることが示された。
• 密なパッケージング状態では、転移は単にディンプル体積だけでなく、粒子のすべての特徴が関与する組み合わせ的幾何学的パラメータによって支配される。
• 有限圧力下の自己集合では、第二の転移（BCCから対称反映型構造）は、粒子の対称性ではなく、個々のディンプル体積に依存する。
• FCC（硬球型）からBCC（ソフト球型）への遷移は、正規化された単一ディンプル体積がすべての粒子種でほぼ一定になるディンプリング量で発生する。
• 自己集合による秩序ある相への遷移は、40–50%のパッケージング割合で発生しており、凸多面体よりも顕著に低いことから、エントロピー駆動の多孔質材料の可能性が示唆された。
• 異なる粒子の相図を正規化された単一ディンプル体積を横軸にとってプロットすると一致するため、このパラメータが自己集合転移における普遍的制御パラメータであることが確認された。