东方时讯网用纳米粒子制成的笼状结构可能是用混合材料制造有组织的纳米结构的途径，密歇根大学的研究人员已经展示了如何通过计算机模拟实现这一目标。
这一发现可能会为光子材料开辟新的途径，这些材料可以以天然晶体无法做到的方式操纵光。它还展示了一种不寻常的效果，该团队称之为熵划分。
“我们正在开发新的方法来跨尺度构建物质，发现可能性以及我们可以使用什么力，”AnthonyC.Lembke化学工程系主任SharonGlotzer说，她领导了今天发表在《自然化学》上的这项研究。“熵力可以稳定比我们想象的更复杂的晶体。”
虽然熵通常被解释为系统中的无序，但它更准确地反映了系统最大化其可能状态的趋势。通常，这最终会成为口语意义上的混乱。氧分子不会挤在一个角落里——它们会散开来填满整个房间。但是如果你把它们放在大小合适的盒子里，它们自然会把自己排列成一个可识别的结构。
纳米粒子做同样的事情。此前，Glotzer的团队已经证明，如果将双锥粒子(如两个短的三边金字塔底部粘在一起)将形成类似于火冰的结构，如果将它们放入足够小的盒子中。火冰是由水分子组成的，它们在甲烷周围形成笼子，它可以同时燃烧和融化。
这种物质在海底大量存在，是包合物的一个例子。笼形结构正在研究一系列应用，例如从大气中捕获和去除二氧化碳。
与水包合物不同，早期的纳米粒子包合物结构没有间隙可以用其他材料填充，这些材料可能为改变结构的特性提供新的有趣的可能性。团队想要改变这一点。
“这一次，我们调查了如果我们改变粒子的形状会发生什么。我们推断，如果我们稍微截断粒子，它会在双锥粒子形成的笼子中创造空间，”最近的博士毕业生SangminLee说。在化学工程和论文的第一作者。
他从每个双金字塔上取下三个中心角，发现结构中出现空间的最佳位置，但金字塔的侧面仍然完好无损，以至于它们没有开始以不同的方式组织起来。当它们是系统中唯一的粒子时，空间充满了更多截断的双金字塔。当添加第二个形状时，该形状成为被捕获的客体粒子。
Glotzer有关于如何创建选择性粘性面以使不同材料充当笼子和客体粒子的想法，但在这种情况下，没有胶水将双金字塔固定在一起。相反，结构完全被熵稳定了。
“从模拟来看，真正令人着迷的是宿主网络几乎被冻结了。宿主粒子移动，但它们都像一个单一的刚性物体一样移动，这正是水包合物所发生的情况，”Glotzer说。“但是客体粒子疯狂地旋转着——就像系统把所有的熵都倾倒到客体粒子中一样。”
这是截断的双金字塔在有限空间内可以构建的自由度最高的系统，但几乎所有的自由都属于客体粒子。研究人员说，水包合物中的甲烷也会旋转。更重要的是，当他们移除客体粒子时，该结构将曾经是网状笼结构一部分的双金字塔扔进了笼子内部——拥有可用于最大化熵的旋转粒子比拥有完整的笼子更重要。
“熵划分。这不是很酷吗?我敢打赌其他系统也会发生这种情况-不仅仅是包合物，”Glotzer说。