Simulation and Design of Structurally Complex Crystals for Self-Assembly

• Applicant: Professor Dr. Michael Engel
• Subject Area: Theoretical Condensed Matter Physics
• Term: from 2009 to 2011
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 125951606

• Final Report Year: 2011

Final Report Abstract

Nanoteilchen und Kolloide sind elementare Bausteine für den Aufbau neuer nanoskaliger Materialien. Je nach chemischer Zusammensetzung und geometrischer Gestalt organisieren sie sich autonom zu unterschiedlichen geordneten Kristallgittern an. Ziel dieses Forschungsstipendiums war es, ihre Selbstorganisation besser zu verstehen. Im Gegensatz zu bisherigen Arbeiten wurde ein besonderer Schwerpunkt auf komplexe Kristallstrukturen gelegt. Die Forschung ist interdisziplinär ausgelegt und wurde hauptsächlich mit Hilfe von Computersimulationen durchgeführt. Die Arbeiten fanden entweder in Kollaboration mit Experimentatoren statt oder war durch experimentelle Ergebnisse motiviert. Wichtige Ergebnisse im Rahmen des Forschungsstipendiums sind die Selbstorganisation von polyedrischen Teilchen und flachen Plättchen in geordnete Phasen und die Beobachtung einer stufenlos modulierten Superstruktur. Dabei handelt es sich um einige der komplexesten in der Simulation beobachteten Kristallstrukturen. Bedeutende Resultate waren die Beobachtung eines Quasikristalls mit harten Tetraedern und die Bestimmung der aktuell dichtesten Tetraederpackung, zwei Arbeiten, die in den Medien großes Interesse hervorgerufen haben. Die Ergebnisse zeigen, dass sich schon mit relativ einfachen Geometrien und Wechselwirkungen komplexe räumliche Ordnung ausbilden kann. Dies ist einerseits überraschend und faszinierend, hat aber auch eine tiefgreifendere wissenschaftliche Bedeutung. So sind die mit nanoskopischen Bausteinen neu entdeckten Phasen in Ihrer Ordnung vergleichbar mit bisher nur auf atomarer Ebene bekannten Phasen. Zukünftige Untersuchungen können nun darauf abzielen, das Wachstum, die Dynamik und die physikalischen Eigenschaften dieser neuen Nanomaterialen im Speziellen aber auch komplexer atomistischer Kristallstrukturen im Allgemeinen besser zu verstehen.

Publications

• Crystalline assemblies and densest packings of a family of truncated tetrahedra and the role of directional entropic forces, ACS Nano
  P.F. Damasceno, M. Engel, and S.C. Glotzer
  
• Degenerate quasicrystal of hard triangular bipyramids, Phys. Rev. Lett. 107, 215702
  A. Haji-Akbari, M. Engel, and S.C. Glotzer
  
• Low-temperature structure of ξ'-Al-Pd-Mn optimized by ab initio methods, Phys. Rev. B
  B. Frigan, A. Santana, M. Engel, D. Schopf, H.-R. Trebin, and M. Mihalkovic
  
• Disordered, quasicrystalline and crystalline phases of densely packed tetrahedra, Nature 462, 773-777 (2009)
  A. Haji-Akbari, M. Engel, A.S. Keys, X. Zheng, R.G. Petschek, P. Palffy- Muhoray, and S.C. Glotzer
  
• Dense crystalline dimer packings of regular tetrahedra, Disc. Comp. Geom. 44, 253-280 (2010)
  E.R. Chen, M. Engel, and S.C. Glotzer
  
• Dynamics of particle flips in two dimensional quasicrystals, Phys. Rev. B 82, 134206 (2010)
  M. Engel, M. Umezaki, H.-R. Trebin, and T. Odagaki
  
• Volle Packung, Physik Journal 9, 18-19 (2010)
  M. Engel
  
• Complex order in soft matter, Nature, 471, 309-310 (2011)
  S.C. Glotzer and M. Engel
  
• Entropic stabilization of tunable planar modulated superstructures, Phys. Rev. Lett. 106, 095504 (2011)
  M. Engel
  
• Phase diagram of hard tetrahedra, J. Chem. Phys. 105, 194101 (2011)
  A. Haji-Akbari, M. Engel, and S.C. Glotzer