斑状粒子

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] 、粒子の形状（「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持っています。^[2]粒子の表面にこれらのパッチを配置すると、他の粒子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]、および水^[5]をモデル化するための簡略表現として、またナノ粒子合成へのアプローチの設計に使用されます。^[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、液体-液体相分離を経験します。^{[8] [9]}パッチ粒子のいくつかの相図は、直線直径の法則に従いません。^[8]

パッチ状粒子間の相互作用は、2つの不連続な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力を説明する剛球ポテンシャルと、パッチ間の引力を説明する引力二乗ポテンシャルです。 [ ^{8] [9]}相互作用ポテンシャルがあれば、さまざまな方法を使用して熱力学的特性を計算できます。

上で説明した不連続ポテンシャルの連続表現^[8]を使用すると、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になります。

実行されるシミュレーションの 1 つにモンテ カルロ法があり、最適な「動き」によって粒子の平衡が確保されます。動きの 1 つのタイプは回転移動です。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、およびランダムな回転軸を選択することによって実行されます。^[10]回転自由度は、シミュレーションの前に決定する必要があります。次に、粒子はこれらの値に従って回転/移動します。また、積分時間ステップは、粒子の最終的な形状/サイズに影響するため、制御する必要があります。実行されるもう 1 つのシミュレーションは、グランドカノニカル アンサンブルです。グランドカノニカル アンサンブルでは、システムは熱浴と粒子のリザーバーで平衡状態にあります。^[10]体積、温度、および化学ポテンシャルは固定されています。これらの定数のため、粒子の数 (n) が変わります。これは通常、相の挙動を監視するために使用されます。これらの追加の動きにより、粒子はランダムな方向とランダムな位置で追加されます。

その他のシミュレーションでは、バイアス付きモンテカルロ法が用いられます。1つは、凝集体積バイアス法です。これは2つの法から成り、最初の法では、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。凝集体積バイアス法は、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します。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法は、粒子Jをランダムに選択してIに結合する方法に従います。次に、粒子Jを粒子Iの結合体積外に移動すると、2つの粒子は結合しなくなります。^[10] 3番目の種類の凝集体積バイアス法は、粒子Jに結合している粒子Iを取り、それを3番目の粒子に挿入します。

グランドカノニカルアンサンブルは、凝集ボリュームバイアス移動によって改善されます。凝集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番目のバイアス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システムの緩和時間を改善し、システム内の拡散ダイナミクスをより正確に近似するために作成されました。^[10]このシミュレーションは、システム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システムやポリマーシステムに適しています。

自己組織化もまた、パッチ状の粒子を作成する方法である。この方法により、鎖、シート、リング、二十面体、四角錐、四面体、ねじれた階段構造などの複雑な構造を形成できる。^[1]粒子の表面を高度に異方性で方向性があり、相互作用が弱いパッチでコーティングすることにより、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る。コーティングと引力のあるパッチの配置は、結果として得られる粒子のサイズ、形状、構造に寄与するものである。^[1]

単純な立方、体心立方（bcc）、ダイヤモンド、および十二角形の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。ローカル配位シェルは、組み立てられる構造を部分的に決定します。^[2]球は、立方、八面体、および四面体のファセットでシミュレートされます。これにより、エントロピーパッチが自己組織化できるようになります。

四面体のファセット球は、単純な球から始めて作られる。四面体の面に合わせて、球は4つの等しいファセットでスライスされる。モンテカルロシミュレーションを実行して、ファセット量αのさまざまな形式を決定した。^[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る。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実現される。これにより、単純な立方格子の組み立てが可能になる。体心立方結晶は、球を八面体にファセットすることで実現される。^[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に設定されます。球にファセットされた形状はα=1で定義されます。^[2]ファセット量をα=0とα=1の間で変動させることにより、格子を変更できます。変化には、自己組織化、パッキング構造、球に対するファセットパッチの調整量、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への影響が含まれます。^[2]

• 自己組織化
• ヤヌス粒子
• エントロピー力

• Amar B. Pawar と Ilona Kretzschmar「パッチ状粒子の製造、組み立て、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 のページ