团队发现晶体生长期间的多晶型选择可以是热力学驱动的

技术越来越小 - 这是个好消息。

用非常小的颗粒制造具有光学,电学和机械性能的材料的能力可能具有深远的应用。例如,用DNA接枝的微粒可用于医学中以更好地感测,成像和治疗递送。更好地理解这些材料的行为方式可以实现精密医学的承诺,以及其他应用。

关于如何最好地指导这些微材料的制造还有很多东西需要学习。DNA功能化的微尺寸颗粒的自组装过程导致结晶,即原子和分子转变成称为晶体的高度结构化形式。结晶开始于成核 - 原子或分子在微观尺度上聚集在一起的过程。如果簇变得稳定且足够大,则可能发生晶体生长。原子和化合物通常可形成多于一种晶体结构,称为多晶型。在结晶的早期阶段确定颗粒的排列。

根据利哈伊大学化学和生物分子工程教授Jeetain Mittal的说法,在结晶过程中涉及多晶现象潜力的结构转换通常归因于动力学效应或成核速率,以预测晶体形成时可观察到的结构。 。这与经典成核理论一致。

现在,米塔尔和他的团队已经证明,动力学效应可能无法完全解释所有多态情况下的结构转换,表面热力学 - 与微晶尺寸相关而不是速率 - 对于驱动晶体结构之间的转换至关重要。该团队在晶体生长过程中发现了一种从正方形到六边形晶格的结构转变的新途径,这是由热力学驱动的。

根据Mittal的说法,在许多以前的系统中,表现出结构多晶现象的微晶已经归因于与成核速率有关的动力学效应。在他们的工作中,米塔尔及其合作者提供了可靠的计算,以证明结构转换可以完全是热力学的,与动力学论证相反,从理论和计算的角度来看。此外,在使用代表DNA功能化颗粒的粗粒度模型的更详细的建模系统中观察到类似的结构转变。这是有力的证据,表明这种结构转换可以更加通用,并且可以连接回更现实的系统。

“了解结晶过程对于控制和预测所产生的结构尤其重要,”目前Lehigh博士生和该论文的共同作者Runfang Mao说。“虽然在许多情况下都很有用,但经典的成核理论被认为在许多系统中是无效的。我们证明这种依赖于尺寸的结构转换是其中一个例外,它是由有限尺寸微晶的热力学性质驱动的。知识,这种依赖于尺度的结构转型尚未在文献的其他地方清楚地说明。“

他们的发现今天发表在Science Advances的文章“胶体结晶中尺寸依赖的热力学结构选择”中。除米塔尔和毛泽东外,作者还包括Evan Pretti,Hasan Zerze,Minseok Song和Yajun Ding-- Lehigh的PC Rossin工程与应用科学学院的所有现任或前任学生。

米塔尔和他的团队研究了当胶体相互作用时,胶体与DNA束拴在其表面上的特定混合物如何结晶成二维晶格。正如Pretti所解释的那样,结晶是从生长和聚集的小颗粒簇开始的,在某些条件下,这些微晶可以从一个晶体结构开始,随着时间的推移转变成另一个晶体结构。

“我们发现,对于我们的系统,这些转换可以基于不同结构的相对热力学稳定性如何受到微晶尺寸的影响来解释,”Pretti说。“特别是,对于足够小的微晶,表面的热力学变得非常重要,它们可以影响结构,从而在自组装过程中触发观察到的转变。”

根据Mittal的说法,这些DNA功能化系统在胶体装配领域特别受关注,因为使用不同种类的颗粒和DNA序列提供了很大的灵活性和多种可能性。然而,他们的结果并不仅限于这样的系统,而是可以更好地理解其他类型的结晶过程如何工作和可以控制。

该团队开始使用标准分子动力学模拟来了解他们的系统行为。为了证明他们所看到的转变是热力学起源,他们采用现有的方法来计算周期性结晶固体的相对热力学稳定性,并对其进行修改以便分析它们的有限尺寸微晶。

米塔尔说:“我们已经确定了一种可逆的结构转变,只能用有限大小的晶体本身的热力学来解释。”“我们的工作可以提供一种新的方式来查看和解释DNA功能化粒子系统的转换,也可能解释其他种类的晶体。”

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