Theory and design of self-assembling systems

Tänk dig att du tar ett stort pussel och lägger bitarna huller om buller i en låda. Sedan skakar du på lådan en stund och, voilà, när du öppnar lådan har pusslet lagt sig själv. Med ett vanligt pussel låter det inte speciellt troligt att detta händer. Men om du till exempel sätter små magneter på sidorna av pusselbitarna så att precis de bitar som ska sitta ihop fastnar i varandra, då är det inte omöjligt att konstruera ett pussel som lägger sig själva. Det fantastiska är att sådana pussel redan existerar. Om vi tillåter oss att pusselbitarnas storlek är på en molekylär nivå finns det en oändlighet av självläggande pussel, eller vad vi kallar självassemblerande system, där atomer eller molekyler organiserar sig spontant och bildar strukturer som till exempel gitter eller molekylkomplex. I naturen, och speciellt i biologi, är detta en av de viktigaste principerna som kan skapa ordning och funktionalitet i komplexa system. Genom årmiljoner har evolution successivt förfinat de kemiska komponenterna i biologiska organismer så de självassemblerar till ett makalöst komplext molekylärt maskineri. Den tekniska utvecklingen inom nanoteknologi har under de senaste åren öppnat helt nya möjligheter att designa även artificiella system så att de självassemblerar och bildar exotiska strukturer, så kallade metamaterial. En stark drivkraft bakom denna utvecklingen är möjligheten att utnyttja självassemblering för att billigt och relativt enkelt kunna producera material med speciella egenskaper, till exempel ljusabsorbtion inom bestämda våglängder eller porer med storlek som passar för specifika typer av katalys. När detta kan realiseras på en industriell skala kommer det att innebära en revolution inom materialvetenskapen. För att detta ska kunna bli verklighet måste vi dock utveckla nya metoder för att förstå hur vi ska designa byggstenarna så att de spontant organiserar sig till de strukturer vi vill ha. Biologiska system har som sagt löst detta genom miljontals år av evolution, men om vi kan utveckla nya analytiska och simuleringsbaserade beräkningsmetoder så finns det chans att åstadkomma liknande komplexitet i artificiella system inom en mer rimlig tidsram. Mitt projekt är tänkt att bidra till detta genom att utveckla matematiska metoder som kan förutsäga och kontrollera självassemblerande system. Målet är att ta fram helt nya tekniker för att teoretiskt kunna svara på frågor rörande självassemblering, ett fält som annars domineras helt av resultat från experiment och simuleringar. Fokus kommer att ligga på system som består av partiklar med radie på ett tiotal nanometer vars yta kan täckas med olika molekyler i givna mönster. Molekylerna på ytan gör att partiklarna fastnar i varandra på olika sätt, precis som magneterna på bitarna i det självläggande pusslet. Metoderna som jag ska komma fram till ska således kunna användas för att designa partiklar som ska självassemblera och bilda strukturer med önskade egenskaper. Detta kommer också att leda till fördjupad förståelse av hur självassemblering fungerar, vilket är viktigt för utvecklingen inom nanoteknologi och materialvetenskap.

Participants

Martin Nilsson Jacobi (contact)

Professor vid Chalmers, Space, Earth and Environment, Physical Resource Theory

Funding

Swedish Research Council (VR)

Funding years 2013–2016

Related Areas of Advance and Infrastructure

Sustainable development

Driving Forces

Nanoscience and Nanotechnology

Areas of Advance

Energy

Areas of Advance

More information

Project Web Page at Chalmers

http://www.chalmers.se/en/projects/Pages/s...

Created

2015-03-13