就像啦啦队队员组成人塔一样，一项新的研究发现，许多粒子可能能够自组装成有组织的超结构。
物体的形状会极大地影响其对拥挤的反应，一些被称为纳米粒子的微小材料构建块，当被迫与邻居共享空间时，可能会自组装成复杂的图案。在这项新研究中，密歇根大学的研究人员着手进行一项广泛的调查，研究粒子形状如何驱动更大类晶结构的形成。这项研究发表在7月27日出版的《科学》杂志上，可以帮助研究人员预测设计纳米粒子的行为，并从相对简单的自组装构建块构建定制材料。长远目标是设计新材料。“我们想要新的东西，更好的东西，”研究合著者、密歇根大学化学工程、材料科学和物理学教授莎伦·格洛策说。
该小组没有实际制造无数微小粒子并监测它们在各种起始条件下的自组装，而是使用计算机模拟来探索145种不同理想化多面体形状的假设粒子的特性。（多面体是由平面面构成的固体。）
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模拟结果表明，当与形状相同的粒子紧密堆积时，大多数多面体自组装成晶格或类晶排列。更重要的是，形状的自组装倾向被证明与描述粒子形状及其起始排列的两个简单量密切相关。
格洛策和她的同事之前发现，某些形状可以自然地自组装。但新的模拟表明，这种行为是规则，而不是例外。一些形状自组装成规则晶体——其中每个粒子都具有固定位置和方向的晶格——一些形状形成塑性晶体或液晶。在塑性晶体中，每个粒子在晶格内都有固定的位置但可以旋转；另一方面，液晶包含具有相关方向但位置可互换的粒子。总共，145种多面体类型中有101种自组装成这些有序结构之一。“我不会打赌大多数这些形状会组织成晶体或类晶排列，”格洛策说。“这些粒子如此容易结晶是一个惊喜。”
此外，一些形状表现出令人印象深刻的协调组装过程。例如，一个带有正方形底座的锥形形状，连接成每个由六个锥体组成的“超立方体”，然后形成更大的立方晶格。“我们发现许多粒子形成非常复杂的结构，”格洛策说。“系统必须作为一个整体来弄清楚，这是安排事物的最佳方式。”
研究人员还发现，某种粒子类型的集体行为远非随机。事实上，两个数字几乎可以预示晶体形成模拟的结果。一个称为等周商的数字（大致根据粒子的体积和表面积来捕捉粒子的形状）和一个称为配位数的度量（描述粒子有多少个近邻）在 94% 的时间里预测了多面体将采取哪种晶体形式。从广义上讲，扁平、矮胖的多面体（例如六边形柱的水平切片）倾向于形成液晶。多面粒子，形状几乎呈球形，有利于塑性晶体的发展。规则晶体的领域包含许多熟悉的形状——立方体、三角棱镜、倾斜菱面体。形状和自组装之间的关系可用于定制纳米粒子，使其表现出特定的集体行为。
即使是 44 个抵抗自组装的多面体也可以为未来的设计材料提供素材。“其中一些我们运行了又运行[模拟]，但我们就是无法让它们形成任何东西，”格洛策说。“但是，对于每一个不会结晶的粒子，都有另一个看起来几乎相同的粒子每次都会结晶。” 如果研究人员能够准确地找出是什么使一个粒子组装成晶体，而一个近乎相同的孪生粒子却处于无序状态，他们或许能够设计出形状转换粒子，这些粒子的集体特性会随着对单个构建块的轻微结构调整而发生转变。
“这有点像材料研究的圣杯，只需看一个构建块就能说，‘哦，是的，我知道所有与此相关的稳定晶体结构类型，’”格洛策说。“这项研究使我们能够朝着这个方向迈出第一步。”