В упакованных двумерных кристаллических системах, таких как фотонные двумерные кристаллы, частицы организованы в гексагональные решетки. Одна частица находится в центре шестиугольника, вокруг которого находятся шесть соседних частиц. Дефектная решетка — это когда центральная частица имеет одного дополнительного или одного соседа меньше, что создает семиугольник или пятиугольник. Два однотипных дефекта — два пятиугольника или два семиугольника — будут отталкивать друг друга.
Два дефекта противоположных типов — один пятиугольник и один семиугольник — будут притягиваться друг к другу и увеличиваться.«Если имеется один семиугольник или один пятиугольник, то структура сильно искажается», — говорит соавтор статьи Моника Ольвера де ла Крус, юрист Тейлор, профессор материаловедения и инженерии. «Но если у вас есть один пятиугольник и один семиугольник, то искажение уменьшается.
Пары компенсируют друг друга».Загрязненные частицы могут вызвать дефекты во всех типах систем.
Одна из примесей — это различие в размере частиц, которое естественно наблюдается в гранулированных материалах, наночастицах и коллоидных кристаллах. Чтобы увидеть, как неравенство размеров повлияет на кристаллический порядок и физические свойства системы, Ольвера де ла Крус и научный сотрудник Чжэньвэй Яо разработали модельную систему мягких частиц, таких как функционализированные наночастицы с привитыми цепями, включая нуклеиновые кислоты или тиолы.
Они сделали одну из частиц в решетке намного больше, чем окружающие частицы.«Когда мы расширяли одну частицу, все соседние частицы были сжаты и напряжены», — говорит Яо, соавтор статьи. «Чем больше мы сделали частицу, тем больше дефектов она вызвала».Дефекты, вызванные примесью более крупных частиц. Однако удивительно, что вместо того, чтобы отталкивать друг друга и искажать кристаллический порядок, дефекты пришли в гармонию.
«Люди ожидают, что они оттолкнутся», — говорит Ольвера де ла Крус. «Но все они собрались вместе и устроили так, чтобы генерировать конфигурацию с более низкой энергией. Дефекты вокруг примесных частиц являются посредниками притяжения между примесными частицами».Дефекты восстанавливали порядок, создавая «экран» или буфер, чтобы защитить остальную структуру от напряжения добавленной примеси.
Это открытие может привести к новым способам разработки материалов в поддержку Инициативы по геному материалов. Создание материалов с новыми свойствами путем добавления примесей может быть сложной задачей.
Если примеси вызывают дефекты, которые вызывают притяжение между частицами примесей, они могут создавать области, в которых собираются примеси. «Это создает интерфейс двух материалов, который может быть очень разрушительным», — говорит Ольвера де ла Крус. «Примеси нужно очень хорошо контролировать».Изменяя размер частиц, исследователи материалов могут легко и точно конструировать дефекты.