就像啦啦隊隊員組成人塔一樣，一項新的研究發現，許多粒子可能能夠自組裝成有組織的超結構。
物體的形狀會極大地影響其對擁擠的反應，一些被稱為奈米粒子的微小材料構建塊，當被迫與鄰居共享空間時，可能會自組裝成複雜的圖案。在這項新研究中，密歇根大學的研究人員著手進行一項廣泛的調查，研究粒子形狀如何驅動更大類晶結構的形成。這項研究發表在7月27日出版的《科學》雜誌上，可以幫助研究人員預測設計奈米粒子的行為，並從相對簡單的自組裝構建塊構建定製材料。長遠目標是設計新材料。“我們想要新的東西，更好的東西，”研究合著者、密歇根大學化學工程、材料科學和物理學教授莎倫·格洛策說。
該小組沒有實際製造無數微小粒子並監測它們在各種起始條件下的自組裝，而是使用計算機模擬來探索145種不同理想化多面體形狀的假設粒子的特性。（多面體是由平面面構成的固體。）
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模擬結果表明，當與形狀相同的粒子緊密堆積時，大多數多面體自組裝成晶格或類晶排列。更重要的是，形狀的自組裝傾向被證明與描述粒子形狀及其起始排列的兩個簡單量密切相關。
格洛策和她的同事之前發現，某些形狀可以自然地自組裝。但新的模擬表明，這種行為是規則，而不是例外。一些形狀自組裝成規則晶體——其中每個粒子都具有固定位置和方向的晶格——一些形狀形成塑性晶體或液晶。在塑性晶體中，每個粒子在晶格內都有固定的位置但可以旋轉；另一方面，液晶包含具有相關方向但位置可互換的粒子。總共，145種多面體型別中有101種自組裝成這些有序結構之一。“我不會打賭大多數這些形狀會組織成晶體或類晶排列，”格洛策說。“這些粒子如此容易結晶是一個驚喜。”
此外，一些形狀表現出令人印象深刻的協調組裝過程。例如，一個帶有正方形底座的錐形形狀，連線成每個由六個錐體組成的“超立方體”，然後形成更大的立方晶格。“我們發現許多粒子形成非常複雜的結構，”格洛策說。“系統必須作為一個整體來弄清楚，這是安排事物的最佳方式。”
研究人員還發現，某種粒子型別的集體行為遠非隨機。事實上，兩個數字幾乎可以預示晶體形成模擬的結果。一個稱為等周商的數字（大致根據粒子的體積和表面積來捕捉粒子的形狀）和一個稱為配位數的度量（描述粒子有多少個近鄰）在 94% 的時間裡預測了多面體將採取哪種晶體形式。從廣義上講，扁平、矮胖的多面體（例如六邊形柱的水平切片）傾向於形成液晶。多面粒子，形狀幾乎呈球形，有利於塑性晶體的發展。規則晶體的領域包含許多熟悉的形狀——立方體、三角稜鏡、傾斜菱面體。形狀和自組裝之間的關係可用於定製奈米粒子，使其表現出特定的集體行為。
即使是 44 個抵抗自組裝的多面體也可以為未來的設計材料提供素材。“其中一些我們運行了又執行[模擬]，但我們就是無法讓它們形成任何東西，”格洛策說。“但是，對於每一個不會結晶的粒子，都有另一個看起來幾乎相同的粒子每次都會結晶。” 如果研究人員能夠準確地找出是什麼使一個粒子組裝成晶體，而一個近乎相同的孿生粒子卻處於無序狀態，他們或許能夠設計出形狀轉換粒子，這些粒子的集體特性會隨著對單個構建塊的輕微結構調整而發生轉變。
“這有點像材料研究的聖盃，只需看一個構建塊就能說，‘哦，是的，我知道所有與此相關的穩定晶體結構型別，’”格洛策說。“這項研究使我們能夠朝著這個方向邁出第一步。”