在顛覆材料設(shè)計(jì)的研究中，研究人員通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬證明，可以設(shè)計(jì)出一種晶體，并將其反向加工成自組裝的粒子形狀。這可能會(huì)導(dǎo)致一種新型材料的出現(xiàn)，比如可以產(chǎn)生永不褪色的晶體涂層。

密歇根大學(xué)化學(xué)工程系A(chǔ)nthony C. Lembke系主任，《科學(xué)進(jìn)展》高級(jí)作者Sharon Glotzer說(shuō)：這些結(jié)果轉(zhuǎn)變了材料設(shè)計(jì)和我們對(duì)熵的理解，具有真正新特性的材料通常是偶然發(fā)現(xiàn)。例如在2004年用玻璃紙帶和一塊石墨做了一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了石墨烯。

石墨烯因其強(qiáng)度、靈活性、透明度和導(dǎo)電性結(jié)合而成為獲得諾貝爾獎(jiǎng)的神奇材料。材料科學(xué)家們不愿坐等意外發(fā)現(xiàn)，而是希望能創(chuàng)造出一種神奇的材料，然后弄清楚如何制造它。這個(gè)團(tuán)隊(duì)稱(chēng)之為“數(shù)字煉金術(shù)”的正是這種設(shè)計(jì)材料的“逆向”方法——從期望的特性逆向工作。研究論文的通訊作者、加拿大安大略省金斯頓皇后大學(xué)物理學(xué)助理教授格雷格·范·安德斯(Greg van Anders)說(shuō)：它真的讓我們能夠?qū)Ｗ⒂谘芯拷Y(jié)果，并利用所知道的東西，找到構(gòu)建這種材料的起點(diǎn)。

Glotzer是研究納米粒子如何通過(guò)熵的驚人機(jī)制自組裝的領(lǐng)導(dǎo)者，雖然熵通常被認(rèn)為是無(wú)序的一種量度，但Glotzer團(tuán)隊(duì)利用熵從粒子中創(chuàng)造出有序的晶體。能這樣做是因?yàn)殪夭⒉皇菬o(wú)序的，而是系統(tǒng)自由程度的一種度量。如果粒子有很大空間，它們就會(huì)隨機(jī)地分布在空間中，當(dāng)單個(gè)粒子有最大的自由時(shí)，粒子集合就有最大的自由。但是在Glotzer關(guān)注的系統(tǒng)中，粒子沒(méi)有太多的空間。如果方向是隨機(jī)的，大多數(shù)會(huì)被困住。

如果粒子組織成晶體結(jié)構(gòu)，則粒子系統(tǒng)是最自由的。物理學(xué)定律是這樣，粒子也要服從。根據(jù)形狀，研究人員展示了如何得到各種有趣的晶體：一些類(lèi)似于鹽晶體或金屬中的原子晶格，還有一些顯然是新的(如“準(zhǔn)晶體”，沒(méi)有重復(fù)的模式)。在過(guò)去，通常是通過(guò)選擇形狀并模擬其所形成的晶體來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。研究花了數(shù)年時(shí)間，發(fā)現(xiàn)了使特定形狀的粒子能夠形成特定晶體設(shè)計(jì)規(guī)則。現(xiàn)在，已經(jīng)把它轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)了，這樣就可以把一個(gè)晶體結(jié)構(gòu)插入到新程序中。

這就給了一個(gè)粒子形狀來(lái)建造，通過(guò)將問(wèn)題從“這個(gè)形狀會(huì)產(chǎn)生什么晶體？”重新組織為“這個(gè)形狀會(huì)產(chǎn)生我的晶體嗎？”研究小組在研究中探索了超過(guò)1億種不同的形狀。在普通電腦上，一天就能研究出比過(guò)去十年所報(bào)道更多不同種類(lèi)的粒子。研究使用該軟件來(lái)識(shí)別粒子形狀，以構(gòu)建四個(gè)常見(jiàn)的晶格(簡(jiǎn)單立方、體心立方、面心立方和金剛石)和兩個(gè)更復(fù)雜的晶格(-錳和-鎢)。當(dāng)這些工作完成后，嘗試了一種自然界不為人知的晶格，這是研究人員的設(shè)計(jì)：一種被稱(chēng)為“六邊形緊密排列”的晶體變體。

該團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)，實(shí)驗(yàn)納米科學(xué)家將能夠通過(guò)制造一批形狀正確的粒子，并將它們添加到液體中，從而制造出這些晶體。在液體中，納米顆粒會(huì)自行組裝。只要它們繼續(xù)受到限制，就會(huì)保持結(jié)構(gòu)。這可能會(huì)導(dǎo)致人造結(jié)構(gòu)色彩的進(jìn)步，就像蝴蝶翅膀通過(guò)與光相互作用產(chǎn)生明亮的色彩一樣。與色素不同，結(jié)構(gòu)顏色不會(huì)褪色，這種顏色也可以通過(guò)一種機(jī)制來(lái)開(kāi)啟和關(guān)閉，要么限制粒子，使它們形成晶體，要么給它們留出空間，使晶體分裂。

博科園｜研究/來(lái)自：密歇根大學(xué)

參考期刊《科學(xué)進(jìn)展》

DOI: 10.1126/sciadv.aaw0514

博科園｜科學(xué)、科技、科研、科普