Las partículas en parches son partículas coloidales a escala micrométrica o nanométrica que tienen un patrón anisotrópico, ya sea mediante modificación de la química de la superficie de la partícula ("parches entálpicos"), [1] a través de la forma de las partículas ("parches entrópicos"), [2] o ambas. [3] Las partículas tienen un núcleo repulsivo y superficies altamente interactivas que permiten este ensamblaje. [2] La colocación de estos parches en la superficie de una partícula promueve la unión con parches de otras partículas. Las partículas irregulares se utilizan como abreviatura para modelar coloides anisotrópicos, [1] proteínas [4] y agua [5] y para diseñar enfoques para la síntesis de nanopartículas. [6] Las partículas irregulares varían en valencia desde dos ( partículas de Janus ) o más. [7] Las partículas irregulares de valencia tres o más experimentan una separación de fases líquido-líquido. [8] [9] Algunos diagramas de fases de partículas irregulares no siguen la ley de los diámetros rectilíneos. [8]
La interacción entre partículas irregulares se puede describir mediante una combinación de dos potenciales discontinuos. Un potencial de esfera dura que representa la repulsión entre los núcleos de las partículas y un potencial cuadrado de atracción para la atracción entre los parches . [8] [9] Con el potencial de interacción en la mano, se pueden utilizar diferentes métodos para calcular las propiedades termodinámicas.
El uso de una representación continua [8] del potencial discontinuo descrito anteriormente permite la simulación de partículas irregulares mediante dinámica molecular.
Una simulación realizada implica un método de Monte Carlo , donde el mejor "movimiento" asegura el equilibrio en la partícula. Un tipo de movimiento es la rototraducción. Esto se lleva a cabo eligiendo una partícula aleatoria, desplazamientos angulares y radiales aleatorios y un eje de rotación aleatorio. [10] Los grados de libertad de rotación deben determinarse antes de la simulación. Luego, la partícula se gira/mueve de acuerdo con estos valores. Además, es necesario controlar el paso del tiempo de integración porque afectará la forma/tamaño resultante de la partícula. Otra simulación realizada es el gran conjunto canónico. En el conjunto gran canónico, el sistema está en equilibrio con un baño termal y un depósito de partículas. [10] El volumen, la temperatura y el potencial químico son fijos. Debido a estas constantes, un número de partículas (n) cambia. Esto se utiliza normalmente para monitorear el comportamiento de las fases. Con estos movimientos adicionales, la partícula se agrega con una orientación y posición aleatorias.
Otras simulaciones involucran movimientos de Monte Carlo sesgados. Un tipo son los movimientos de agregación con sesgo de volumen. Consta de 2 movimientos; el primero intenta formar un enlace entre dos partículas previamente no unidas, el segundo intenta romper un enlace existente mediante separación. Los movimientos de sesgo de volumen de agregación reflejan el siguiente procedimiento: se eligen dos partículas, I y J, que no son partículas vecinas, la partícula J se mueve dentro del volumen de enlace de la partícula I. Este proceso se lleva a cabo de manera uniforme. Otro movimiento de sesgo de volumen de agregación sigue un método de elegir aleatoriamente una partícula J que está unida a I. Luego, la partícula J se mueve fuera del volumen de enlace de la partícula I, lo que da como resultado que las dos partículas ya no estén unidas. [10] Un tercer tipo de movimiento de agregación con sesgo de volumen toma una partícula I unida a la partícula J y la inserta en una tercera partícula.
El gran conjunto canónico se mejora mediante movimientos de agregación con tendencia al volumen. Cuando se aplican movimientos de sesgo de volumen de agregación, aumenta la tasa de formación y agotamiento de monómeros en los movimientos de conjunto mejorados y gran canónicos.
Una segunda simulación de Monte Carlo sesgada es el movimiento virtual Monte Carlo. Este es un algoritmo de movimiento de clúster. Se creó para mejorar los tiempos de relajación en sistemas de baja densidad que interactúan fuertemente y para aproximarse mejor a la dinámica difusiva en el sistema. [10] Esta simulación es buena para sistemas poliméricos y de autoensamblaje que pueden encontrar movimientos naturales que relajen el sistema.
El autoensamblaje también es un método para crear partículas irregulares. Este método permite la formación de estructuras complejas como cadenas, láminas, anillos, icosaedros, pirámides cuadradas, tetraedros y estructuras de escaleras retorcidas. [1] Al recubrir la superficie de las partículas con parches altamente anisotrópicos, altamente direccionales y que interactúan débilmente, la disposición de los parches atractivos puede organizar partículas desordenadas en estructuras. El recubrimiento y la disposición de los parches atractivos es lo que contribuye al tamaño, forma y estructura de la partícula resultante. [1]
Desarrollar parches entrópicos que se autoensamblarán en estructuras cuasicristalinas cúbicas simples , cúbicas centradas en el cuerpo (bcc), romboidales y dodecagonales. El armazón de coordinación local dicta parcialmente la estructura que se ensambla. [2] Las esferas se simulan con facetado cúbico, octaédrico y tetraédrico. Esto permite que los parches entrópicos se autoensamblen.
Las esferas facetadas tetraédricas se buscan comenzando con esferas simples. En coordinación con las caras de un tetraedro, la esfera se corta en cuatro facetas iguales. Se realizaron simulaciones de Monte Carlo para determinar diferentes formas de α, la cantidad de facetado. [2] La cantidad de facetado particular determina la red que se ensambla. Las redes cúbicas simples se logran de manera similar cortando facetas cúbicas en esferas. Esto permite el montaje de celosías cúbicas simples. Un cristal bcc se logra facetando una esfera de forma octaédrica. [2]
La cantidad de facetado, α, se utiliza en el autoensamblaje de valencia emergente para determinar qué estructura cristalina se formará. Una esfera perfecta se establece como α=0. La forma facetada de la esfera se define en α=1. [2] Al fluctuar la cantidad de facetado entre α=0 y α=1, la red puede cambiar. Los cambios incluyen efectos sobre el autoensamblaje, la estructura del empaque, la cantidad de coordinación del parche de facetado con la esfera, la forma del parche de facetado, el tipo de red cristalina formada y la fuerza del parche entrópico. [2]
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