Interaktionsheterogenität kann die Nucleation von kolloidalen Kristallen positiv beeinflussen

Kolloidale Partikel mit kurzreichenden Anziehungen, z. B. mikrongroße Sphären, die mit einzelsträngigen DNA-Oligomeren funktionalisiert sind, neigen dazu, in ungeordneten Konfigurationen gefangen zu werden, selbst wenn eine kristalline Anordnung der Grundzustand ist. Darüber hinaus können aus nicht gut verstandenen Gründen scheinbar geringfügige Variationen in der Partikelformulierung zu dramatischen Änderungen im Kristallisationsausgang führen. Wir zeigen anhand einer Kombination aus Gleichgewichts- und Nichteichungscomputersimulationen, dass Interaktionsheterogenität – Variationen in den energetischen Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Partikelpaaren in der Population – die Kristallnucleation positiv beeinflussen kann. Insbesondere wurde festgestellt, dass Interaktionsheterogenität die freie Energiebarriere für die Nucleation durch die Bildung von Clustern verringert, die vorzugsweise aus stark bindenden Partikelpaaren bestehen. Darüber hinaus wird die Gelierung dadurch gehemmt, dass der Nucleationsprozess „über die Zeit verteilt“ wird, was zu einer reduzierten Dichte stabiler Kerne führt, die es jedem ermöglicht, ungehindert und größer zu wachsen. Unsere Ergebnisse deuten auf einen einfachen und robusten Ansatz zur Verbesserung der kolloidalen Kristallisation nahe der „klebenden Sphäre“-Grenze hin und unterstützen die Vorstellung, dass unterschiedliche Grade der Interaktionsheterogenität, die aus verschiedenen Partikelfunktionalisierungsprotokollen entstehen, zu den sonst unerklärlichen Variationen der Kristallisationsergebnisse in der Literatur beitragen können.