Integrated Self & Directed Assembly of Multi-Component Colloidal Structures

整合自我

基本信息

  • 批准号:
    0932973
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 30万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2009
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2009-08-01 至 2013-07-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

This award is funded under the American Recovery and Reinvestment Act of 2009 (Public Law 111-5). 0932973BevanThis proposal is concerned with developing integrated self and directed assembly mechanisms to robustly assemble multi component colloidal systems into more ordered and diverse structures. In prior research, we have demonstrated quantitative connections between interactions, dynamics, and microstructure in unassembled colloidal fluids and as part of independent self-assembly (i.e. colloids assembling themselves) and directed assembly (i.e. external fields assembling colloids). With this foundation, questions related to advancing colloidal assembly include: (1) how can processes be designed to minimize defects in ordered structures (2) how can greater structural diversity (and material properties) be accessed using colloidal components To address these questions, the proposed research aims to systematically extend our current understanding of colloidal assembly by integrating self and directed assembly mechanisms in single component colloidal systems, binary colloidal systems, and in the folding of chains of single and binary colloidal particles. For clarification, binary refers to species with different potentials, which includes different sized colloids, but is intended to refer more generally to any system where species A and B have different AA, BB, and AB interactions.Specific objectives and associated tasks in the proposed research include: (1) (objective1) achieve unprecedented, reliable production of ordered, defect free single component colloidal structures, by (task1) constructively integrating 2D and 3D self and directed assembly processes using kT-scale actuators based on tunable depletion potentials and electric field mediated dipolar interactions, (2) (objective) adapt these approaches to develop new capabilities to assemble binary particle systems into atomic analogues, by (task) identifying tunable AA, BB, AB potentials that allow for implementation of reversible self and directed assembly mechanisms in binary systems, and (3) (objective) extend these findings to colloidal chains that fold into 2D and 3D structures to produce a new class of materials and a new micro scale assembly mechanism, by (task) fabricating single component and binary colloidal chains that fold via condensation due to tunable intra chain attraction and/or compression in inhomogeneous electric fields. The significance of the proposed research is based on its effort to understand how to best control the thermodynamics and kinetics of colloidal assembly processes by exploiting the best aspects of self and directed assembly mechanisms. With a fundamental basis for manipulating colloidal assembly in single component systems, the proposed research also aims to extend the current state of the art for realizing more diverse microstructures and associated material properties. Because colloidal components are amenable to direct real space and real time measurements, the proposed research should also provide broader fundamental insights into the chemical physics of self and directed assembly processes that are not accessible to experiments at smaller length scales. The intellectual merit of the proposed research lies in the fundamental understanding that will be gained of multi component colloidal self and directed assembly through the ability to directly measure, model, and manipulate such systems using coupled microscopy measurements and rigorous models. Such understanding should enable quantitative design, control, and optimization (formal engineering) of colloidal assembly processes and provide new insights beyond what is already known from trial and error discovery. The proposed research can be characterized as transformative based on its anticipated identification of new ways to control defects and to expand the diversity of micro scale structures that can be used as periodic meta materials and manipulated via tunable interactions and sequenced connectivity.The broader impacts of the proposed research plan will result from employing rich visual data from experiments (e.g. images, videos), simulations (e.g. renderings, animations), and analyses (e.g. dynamic, multi-dimensional plots) in various classroom, laboratory, outreach, and dissemination activities.
该奖项根据 2009 年美国复苏和再投资法案(公法 111-5)提供资金。 0932973Bevan该提案涉及开发集成的自组装和定向组装机制,以将多组分胶体系统牢固地组装成更有序和多样化的结构。在之前的研究中,我们已经证明了未组装胶体流体中的相互作用、动力学和微观结构之间的定量联系,以及作为独立自组装(即胶体自行组装)和定向组装(即外部场组装胶体)的一部分。在此基础上,与推进胶体组装相关的问题包括:(1)如何设计工艺以最大限度地减少有序结构中的缺陷(2)如何使用胶体成分获得更大的结构多样性(和材料特性)为了解决这些问题,拟议的研究旨在通过在单成分胶体系统、二元胶体系统和多组分​​胶体系统中集成自组装和定向组装机制,系统地扩展我们目前对胶体组装的理解。 单一和二元胶体颗粒链的折叠。为了澄清起见,二元是指具有不同潜力的物种,其中包括不同大小的胶体,但更广泛地指物种 A 和 B 具有不同 AA、BB 和 AB 相互作用的任何系统。拟议研究中的具体目标和相关任务包括:(1)(目标 1)通过(任务 1)建设性地整合 2D 和 3D 自体,实现前所未有的、可靠的有序、无缺陷单组分胶体结构的生产 和使用基于可调耗尽电势和电场介导的偶极相互作用的 kT 级执行器的定向组装过程,(2)(目标)通过(任务)识别可调节的 AA、BB、AB 电势,从而适应这些方法来开发新的能力,将二元粒子系统组装成原子类似物,从而在二元系统中实现可逆自和定向组装机制,以及(3)(目标)扩展这些 通过(任务)制造单组分和二元胶体链,折叠成 2D 和 3D 结构的胶体链,以产生一类新材料和新的微尺度组装机制,这些胶体链通过在不均匀电场中可调的链内吸引力和/或压缩而凝结折叠。 所提出的研究的意义在于其努力了解如何通过利用自组装和定向组装机制的最佳方面来最好地控制胶体组装过程的热力学和动力学。凭借在单组分系统中操纵胶体组装的基本基础,所提出的研究还旨在扩展当前的技术水平,以实现更多样化的微观结构和相关材料特性。由于胶体成分适合直接的真实空间和实时测量,因此拟议的研究还应该为自化学物理和定向组装过程提供更广泛的基本见解,而这些是较小长度尺度的实验无法实现的。 拟议研究的智力价值在于通过使用耦合显微镜测量和严格模型直接测量、建模和操纵此类系统的能力,可以获得对多组分胶体自组装和定向组装的基本理解。这种理解应该能够实现胶体组装过程的定量设计、控制和优化(形式工程),并提供超出通过试错发现已知的新见解。所提出的研究可以被描述为变革性的,基于其预期识别控制缺陷的新方法,并扩大微尺度结构的多样性,这些微尺度结构可用作周期性元材料,并通过可调相互作用和顺序连接进行操纵。所提出的研究计划的更广泛影响将来自于使用来自实验(例如图像、视频)、模拟(例如渲染、动画)和分析(例如图像)的丰富视觉数据。 动态、多维情节)在各种课堂、实验室、外展和传播活动中。

项目成果

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