斑状粒子
ミクロンまたはナノスケールのコロイド粒子

パッチ粒子は、粒子表面の化学修飾（「エンタルピーパッチ」）[1] 、粒子形状（「エントロピーパッチ」）[2] 、またはその両方によって異方性パターン化されたミクロンまたはナノスケールのコロイド粒子です。[3]粒子は反発性のコアと、この集合を可能にする高度に相互作用する表面を有します。[2]これらのパッチを粒子表面に配置すると、他の粒子上のパッチとの結合が促進されます。パッチ粒子は、異方性コロイド[1] 、タンパク質[4]、水[5]のモデル化、およびナノ粒子合成手法の設計における簡略化として用いられます。[6]パッチ粒子の価数は2（ヤヌス粒子）以上です。[7]価数が3以上のパッチ粒子は、液液相分離を起こします。[8] [9]パッチ粒子の状態図の中には、直線直径の法則に従わないものもあり、[8]、リエントラント核形成速度を特徴とします。[10]

表面化学 (左) または形状 (右) を変更することによって、球状 (コロイドなど) 粒子 (中央) を修正して斑状粒子を作成する概略図。

斑状粒子の集合

シミュレーション

パッチ状粒子間の相互作用は、2つの不連続ポテンシャルの組み合わせで記述できます。粒子のコア間の反発を表す剛球ポテンシャルと、パッチ間の引力を表す引力二乗ポテンシャルです。[8] [9]相互作用ポテンシャルを用いることで、様々な手法を用いて熱力学的特性を計算することができます。

分子動力学

上述の不連続ポテンシャルの連続表現[8]を用いることで、分子動力学を用いたパッチ状粒子のシミュレーションが可能となる。

モンテカルロ

実施されたシミュレーションの一つにモンテカルロ法があり、最適な「動き」が粒子内の平衡状態を確保する。動きの一つの種類は回転移動である。これは、ランダムな粒子、ランダムな角度および半径方向の変位、そしてランダムな回転軸を選択することによって実行される。[11]回転自由度はシミュレーション前に決定する必要がある。粒子はこれらの値に従って回転／移動する。また、積分時間ステップは粒子の最終的な形状／サイズに影響を与えるため、制御する必要がある。もう一つのシミュレーションはグランドカノニカルアンサンブルである。グランドカノニカルアンサンブルでは、系は熱浴と粒子のリザーバーと平衡状態にある。[11]体積、温度、および化学ポテンシャルは固定されている。これらの定数によって、粒子数（n）が変化する。これは通常、相挙動のモニタリングに用いられる。これらの追加的な動きによって、粒子はランダムな方向と位置で追加される。

他のシミュレーションでは、バイアスされたモンテカルロ移動が使用されます。1 つのタイプは、凝集体積バイアス移動です。これは 2 つの移動から成ります。最初の移動では、結合していなかった 2 つの粒子の間に結合を形成しようとし、2 番目では、分離によって既存の結合を切断しようとします。凝集体積バイアス移動は、次の手順に従います。隣接していない 2 つの粒子 I と J が選択され、粒子 J が粒子 I の結合体積内に移動されます。このプロセスは均一に実行されます。もう 1 つの凝集体積バイアス移動では、粒子 J が粒子 I に結合しているランダムに選択されます。次に、粒子 J が粒子 I の結合体積外に移動され、結果として 2 つの粒子は結合されなくなります。[11] 3 つ目のタイプの凝集体積バイアス移動では、粒子 J に結合している粒子 I が取り出され、3 つ目の粒子に挿入されます。

グランドカノニカルアンサンブルは、凝集体ボリュームバイアス移動によって改善されます。凝集体ボリュームバイアス移動を適用すると、強化された移動とグランドカノニカルアンサンブル移動におけるモノマー形成と枯渇の速度が増加します。

2つ目のバイアス付きモンテカルロシミュレーションは、仮想移動モンテカルロです。これはクラスター移動アルゴリズムです。これは、強く相互作用する低密度系における緩和時間を改善し、系内の拡散ダイナミクスをより正確に近似するために開発されました。[11]このシミュレーションは、系を緩和する自然な動きを見つけることができる自己組織化系や高分子系に適しています。

自己組織化

自己組織化もまた、パッチ状の粒子を形成する方法の一つです。この方法により、鎖、シート、リング、二十面体、四角錐、四面体、ねじれた階段構造といった複雑な構造を形成することができます。[1]粒子の表面を、高い異方性と高い方向性を持ち、相互作用が弱いパッチでコーティングすることで、これらの引力のあるパッチの配置によって、無秩序な粒子を構造に組織化することができます。このコーティングと引力のあるパッチの配置が、結果として得られる粒子のサイズ、形状、構造に寄与します。[1]

創発的な価電子自己集合

単純立方晶、体心立方晶（bcc）、ダイヤモンド、および十二角形準結晶構造に自己組織化するエントロピーパッチの開発。局所配位殻は、形成される構造を部分的に決定する。[2]球体は、立方晶、八面体、および四面体のファセットを用いてシミュレートされる。これにより、エントロピーパッチの自己組織化が可能になる。

四面体ファセット球は、単純な球から出発して作製されます。四面体の面と調和するように、球は4つの等しいファセットでスライスされます。モンテカルロシミュレーションを実施し、ファセット量αの様々な形を決定しました。[2]特定のファセット量によって、組み立てられる格子が決まります。単純な立方格子は、立方ファセットを球にスライスすることで同様に得られます。これにより、単純な立方格子の組み立てが可能になります。体心立方格子は、球を八面体にファセットすることで得られます。[2]

ファセット量αは、創発的原子価自己組織化において、どのような結晶構造が形成されるかを決定するために使用されます。完全な球はα=0と設定され、球にファセットされた形状はα=1と定義されます。[2]ファセット量をα=0とα=1の間で変動させることで、格子は変化します。変化は、自己組織化、パッキング構造、ファセットパッチと球の配位量、ファセットパッチの形状、形成される結晶格子の種類、エントロピーパッチの強度などに影響を与えます。[2]

参照

参考文献

  1. ^ abcd Zhang, Zhenli; Glotzer, Sharon C. (2004). 「パッチ状粒子の自己組織化」. Nano Letters . 4 (8): 1407– 1413. Bibcode :2004NanoL...4.1407Z. doi :10.1021/nl0493500. PMID  : 29048902.
  2. ^ abcdefg van Anders, Greg; Ahmed, N. Khalid; Smith, Ross; Engel, Michael; Glotzer, Sharon C. (2014). 「エントロピー的にパッチ状の粒子：形状エントロピーによる原子価の制御」. ACS Nano . 8 (1): 931– 940. arXiv : 1304.7545 . doi :10.1021/nn4057353. PMID  24359081.
  3. ^ Glotzer, Sharon C.; Solomon, Michael J. (2007). 「構成要素の異方性と複合構造への集合」. Nature Materials . 6 (8): 557– 562. doi :10.1038/nmat1949. PMID  17667968.
  4. ^ Fusco, Diana; Charbonneau, Patrick (2013). 「溶液中の球状タンパク質の非対称パッチモデルの結晶化」. Phys Rev E. 88 ( 1) 012721. arXiv : 1301.3349 . Bibcode :2013PhRvE..88a2721F. doi :10.1103/PhysRevE.88.012721. PMID  23944504.
  5. ^ Kolafa, Jiří; Nezbeda, Ivo (1987年5月). 「水とメタノールのプリミティブモデルにおけるモンテカルロシミュレーション」.分子物理学. 61 (1): 161– 175. doi :10.1080/00268978700101051. ISSN  0026-8976.
  6. ^ Pawar, Amar B.; Kretzschmar, Ilona (2010). 「パッチ状粒子の製造、組立、および応用」. Macromolecular Rapid Communications . 31 (2): 150– 168. doi : 10.1002/marc.200900614 . PMID  21590887.
  7. ^ Wang, Yufeng; Wang, Yu; Breed, Dana R.; Manoharan, Vinothan N.; Feng, Lang; Hollingsworth, Andrew D.; Weck, Marcus; Pine, David J. (2012-11-01). 「原子価と特定の方向性結合を持つコロイド」(PDF) . Nature . 491 (7422): 51– 55. Bibcode :2012Natur.491...51W. doi :10.1038/nature11564. ISSN  1476-4687. PMID  23128225.
  8. ^ abcd Espinosa, Jorge R.; Garaizar, Adiran; Vega, Carlos; Frenkel, Daan; Collepardo-Guevara, Rosana (2019-06-14). 「パッチ状粒子系における直線直径法則の破綻と液体-蒸気共存における関連する驚き」. The Journal of Chemical Physics . 150 (22): 224510. doi :10.1063/1.5098551. ISSN  0021-9606. PMC 6626546. PMID  31202247 . 
  9. ^ ab ビアンキ、エマヌエラ;ラルゴ、フリオ。タルターリア、ピエロ。ザッカレッリ、エマヌエラ。シオルティーノ、フランチェスコ (2006-10-16)。 「斑状コロイドの相図: 空の液体に向けて」。物理的なレビューレター。97 (16) 168301。arXiv : cond-mat/ 0605701 。土井：10.1103/PhysRevLett.97.168301。PMID  17155440。
  10. ^ Garaizar, Adiran; Higginbotham, Tim; Sanchez-Burgos, Ignacio; Tejedor, Andres R.; Sanz, Eduardo; Espinosa, Jorge R. (2022-10-03). 「八面体パッチ状コロイドにおける交互一相および二相結晶化メカニズム」. The Journal of Chemical Physics . 157 (13): 134501. doi : 10.1063/5.0101529 . ISSN  0021-9606.
  11. ^ abcd Rovigatti, Lorenzo, JR; Romano, Flavio (2018). 「パッチ状粒子のシミュレーション方法」. The European Physical Journal E. 49 ( 59): 59. arXiv : 1802.04980 . doi :10.1140/epje/i2018-11667-x. PMID  29748868.{{cite journal}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)
  • Amar B. PawarとIlona Kretzschmar「パッチ状粒子の製造、組立、および応用」Macromolecular Rapid Communications 31 pp. 150-168 (2010)
  • Willem K. Kegel および Henk NW Lekkerkerker「コロイドゲル: 粘土が斑状になる」、Nature Materials 10、5-6 ページ (2011)
  • Zhenping HeとIlona Kretzschmar「均一なパッ​​チを持つパッチ状粒子のテンプレート支援による製造」、Langmuir 28 pp. 9915-9919 (2011)
  • SKlogWikiのPatchy Particlesに関するページ
「https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Patchy_particles&oldid=1324625286」より取得