Las partículas irregulares son partículas coloidales a escala micrométrica o nanométrica que tienen un patrón anisotrópico, ya sea por modificación de la química de la superficie de la partícula ("parches entálpicos"), [1] a través de la forma de la partícula ("parches entrópicos"), [2] o ambos. [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 en otras partículas. Las partículas irregulares se utilizan como una 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 de 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 fase de partículas irregulares no siguen la ley de 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 atractivo que representa 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 rototraslación. 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 rotacionales deben determinarse antes de la simulación. Luego, la partícula se rota/mueve de acuerdo con estos valores. Además, el paso de tiempo de integración debe controlarse porque afectará la forma/tamaño resultante de la partícula. Otra simulación realizada es el conjunto grancanónico. En el conjunto grancanónico, el sistema está en equilibrio con un baño térmico y un reservorio de partículas. [10] El volumen, la temperatura y el potencial químico son fijos. Debido a estas constantes, cambia un número de partículas (n). Esto se usa típicamente para monitorear el comportamiento de la fase. Con estos movimientos adicionales, la partícula se agrega en una orientación aleatoria y una posición aleatoria.
Otras simulaciones implican movimientos de Monte Carlo sesgados. Un tipo son los movimientos de agregación con sesgo de volumen. Constan de 2 movimientos; el primero intenta formar un enlace entre dos partículas previamente no enlazadas, el segundo intenta romper un enlace existente por separación. Los movimientos de agregación con sesgo de volumen 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 agregación con sesgo de volumen sigue un método de elección aleatoria de una partícula J que está enlazada a I. La partícula J se mueve luego fuera del volumen de enlace de la partícula I, lo que da como resultado que las dos partículas ya no estén enlazadas. [10] Un tercer tipo de movimiento de agregación con sesgo de volumen toma una partícula I enlazada a la partícula J y la inserta en una tercera partícula.
El conjunto gran canónico se mejora con movimientos de agregación con sesgo de volumen. Cuando se aplican movimientos de agregación con sesgo de volumen, la tasa de formación y agotamiento de monómeros se mejora y los movimientos del conjunto gran canónico aumentan.
Una segunda simulación de Monte Carlo sesgada es el Monte Carlo de movimiento virtual. Este es un algoritmo de movimiento de grupos. Fue creado para mejorar los tiempos de relajación en sistemas de baja densidad con fuerte interacción y para aproximarse mejor a la dinámica difusiva en el sistema. [10] Esta simulación es buena para sistemas autoensamblados y poliméricos que pueden encontrar movimientos naturales que relajen el sistema.
El autoensamblaje es también 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 escalera retorcida. [1] Al recubrir la superficie de las partículas con parches altamente anisotrópicos, altamente direccionales y de interacción débil, 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, la forma y la estructura de la partícula resultante. [1]
Desarrollo de parches entrópicos que se autoensamblan en estructuras simples de cuasicristales cúbicos , cúbicos centrados en el cuerpo (bcc), de diamante y dodecagonales. La capa de coordinación local dicta parcialmente la estructura que se ensambla. [2] Las esferas se simulan con facetas cúbicas, octaédricas y tetraédricas. Esto permite que los parches entrópicos se autoensamblen.
Las esferas tetraédricas facetadas se obtienen 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 particular de facetado determina la red que se ensambla. Las redes cúbicas simples se logran de manera similar cortando facetas cúbicas en esferas. Esto permite el ensamblaje de redes cúbicas simples. Un cristal bcc se logra facetando una esfera octaédricamente. [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 que se faceta a 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 en el autoensamblaje, la estructura de empaquetamiento, la cantidad de coordinación del parche de facetado a 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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