近一个世纪以来，科学家们一直在绞尽脑汁，重新思考关于一个看似平淡无奇的问题的理论：自然界是如何将电子、细胞或其他粒子组织到球体表面上的？现在，今天发表在《科学》杂志上的一项研究提供了实验证据，表明粒子组织成晶体网络，并穿插着可预测的裂缝和缺陷模式。由于自然界中的许多事物都是球形的，因此这项发现的潜在应用非常广泛：从病毒微生物学和化学工程到地质学。
当你在台球比赛开始时摆放球时，中心球正好接触六个其他球，这种排列方式被称为三角形晶格，它代表了均匀大小的晶体、细胞或其他相同大小的粒子在平面上排列的方式。几十年来，物理学家们已经明白这种模式无法无缝地包裹在一个球体周围，但他们不知道网络中的自然断裂将如何组织。一些人推测，如果同样的台球排列方式要扩展到一个沙滩球周围，那么堆积结构的不规则性就会发生，这样——有些球只会接触五个球，而另一些球则会有第七个邻居，而不是接触标准的六个球。
由慕尼黑工业大学的安德烈亚斯·鲍施领导的一个国际研究团队设计了一个实验来检验这一理论。科学家们首先将微小的水滴悬浮在油性混合物中。然后，他们添加了微小的、完全球形的聚苯乙烯珠，并摇晃液体以制造出类似蛋黄酱的乳液。当珠子在液体中扩散时，研究人员使用连接到简单显微镜的数码相机记录了这一过程。图像显示，珠子围绕水滴组织成晶体网络，这符合他们的理论。报告称，在直径约为25微米或更小的球形表面上出现了12个孤立的缺陷。但在较大的球体上，排列中的缺陷倾向于聚集在一起，形成裂缝，或所谓的疤痕，在原本紧密堆积的晶体外壳中。
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该研究的共同作者、雪城大学的马克·鲍威克认为，只要任何球形晶体大于约 25 微米宽，同样的、可预测的过程就将适用。这项工作的应用可能使微生物学家能够破解病毒和细菌的盔甲状蛋白质外壳，使地质学家能够深入了解构造学，并使化学工程师能够设计新的化学物质。“您可能在谈论微米尺度或行星或大气层，”鲍威克说。“我相信还有一些我们尚未想到的事情。”