作者:密歇根大学凯瑟琳·麦卡平 无花果
2六种目标结构中最佳形状的结构和PMFT等值面:β-锰、BCC、面心立方、β-钨、钪和金刚石
(A到F)结构协调(全球:BCC、FCC、SC、钻石；局部:β-Mn，β-W)和PMFT等曲面，自由能值为1
4 kBT(浅灰色)和0
对于最优但不对称的凸多面体(顶部)和最优对称受限多面体(底部),最小值以上7 kBT(粉红色)
PMFT等值面表明，粒子刻面的出现对应于优先沿晶格方向排列的粒子刻面上的熵价
对称受限多面体的PMFT等值面保持价格对应
《科学进展》2019年7月5日: 卷（volume的缩写）
5，不
7，eaaw0514 DOI: 10
1126/sciadv
aaw0514 在颠覆材料设计的工作中，研究人员已经通过计算机模拟证明，他们可以设计出一种晶体，并反向加工成粒子形状，从而自我组装形成它
这可能会产生一种新的材料，比如能产生永不褪色的颜色的水晶涂层
“这些结果改变了材料设计和我们对熵的理解，”安东尼·格洛茨说
密歇根大学化学工程系系主任，《科学进展》论文的高级作者
具有真正新特性的材料通常是偶然发现的
例如，它在2004年用玻璃纸胶带和一块石墨做了一个有趣的实验，发现了石墨烯——现在因其结合了强度、柔韧性、透明度和导电性而获得诺贝尔奖的神奇材料
材料科学家不愿意等待意外的发现，而是想出一种神奇的材料，然后想出如何制造它
正是这种设计材料的“逆向”方法——从期望的属性向后工作——团队称之为“数字炼金术”
" 该论文的相应作者、安大略省金斯敦皇后大学物理学助理教授格雷格·范·安德斯说:“它让我们能够专注于结果，并利用我们所知道的东西来寻找构建该材料的起点。”
这项研究是他以前在U-M时完成的
格洛泽是研究纳米粒子如何通过令人惊讶的熵机制自组装的领导者
虽然熵通常被认为是衡量无序的一种方法，但格洛泽的团队利用它从粒子中产生有序的晶体
他们可以做到这一点，因为熵并不是真正的无序，而是衡量系统自由程度的尺度
如果粒子有很大的空间，它们会在空间中随机分布——当单个粒子拥有最大的自由度时，粒子的集合拥有最大的自由度
但是在Glotzer关注的系统中，粒子没有太大的空间
如果它们是随机定向的，大多数都会被困住
如果粒子组织成晶体结构，那么粒子系统是最自由的
物理学要求这样，粒子服从
根据粒子的形状，格洛泽的团队和其他人已经展示了如何获得各种有趣的晶体——一些类似于盐晶体或金属中的原子晶格，一些显然是新的(如“准晶体”，它没有重复的模式)
在过去，他们通常通过选择粒子形状和模拟它将产生的晶体来实现这一点
他们花了数年时间发现设计规则，使特定形状的粒子能够构建特定的晶体
现在，他们已经把它转了过来，这样他们就可以把一个晶体结构插入到他们的新程序中，这给了他们一个可以构建它的粒子形状
通过重新思考“这个形状会是什么水晶？”这个问题“这个形状会成为我的水晶吗？”—该团队在研究中探索了超过1亿种不同的形状
“在一天之内，在一台普通的计算机上，我们能够研究比过去十年报道的更多不同种类的粒子，”范·安德斯说
他们使用该软件来识别粒子形状，以构建四种常见的晶格(简单立方、体心立方、面心立方和金刚石)和两种更复杂的晶格(β-锰和β-钨)
当这些问题解决后，他们尝试了一种自然界未知的晶格，一种他们自己设计的晶格——一种被称为“六边形密堆积”的晶体变体
" 该团队预计，实验纳米科学家将能够通过生产一批形状合适的粒子并将它们添加到流体中来制造这些晶体
在流体中，纳米粒子会自我组装
只要他们继续被限制，他们将保持他们的结构
这可能导致人造结构颜色的进步，类似于蝴蝶翅膀通过与光的相互作用产生明亮的色彩
与颜料不同，结构色不会褪色
这种颜色也可以通过一种机制来打开和关闭，这种机制可以限制粒子，使它们形成晶体，也可以给它们空间，使晶体分裂
这项研究发表在《科学进展》的一篇论文中，题为“工程熵用于从硬形状的胶体晶体的反设计”
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