密歇根大学
棱柱轨道形状的纳米粒子
纳米粒子形状周围的假粒子密度类似于原子电子轨道中的电子密度
学分:密歇根大学格洛泽集团 熵是一种经常被解释为“无序”的物理属性，它是秩序的创造者，密歇根大学开发了一种新的键合理论，并发表在《美国国家科学院院刊》上
工程师们梦想用纳米粒子来制造设计材料，新理论可以帮助指导人们努力将纳米粒子组装成有用的结构
该理论解释了探索受限空间纳米粒子形成晶体结构的早期结果，使得熵能够被量化并在未来的努力中得到利用
奇怪的是，由于熵而控制纳米粒子相互作用的方程组反映了描述化学键的方程组
莎伦·格洛泽，安东尼·C
Lembke化学工程系主任和化学工程博士后研究员Thi Vo回答了关于他们新理论的一些问题
什么是熵结合？ 格洛泽:“熵成键是解释纳米粒子如何相互作用形成晶体结构的一种方式
这类似于原子形成的化学键
但与原子不同，没有电子相互作用将这些纳米粒子结合在一起
相反，吸引力是因为熵而产生的
" “熵常常与无序联系在一起，但它实际上与选择有关
当纳米粒子拥挤在一起，选择有限时，纳米粒子最有可能的排列方式可能是特定的晶体结构
这种结构给了系统最多的选择，因此熵也最高
当粒子相互靠近时，就会产生很大的熵力
" “通过对粒子形状及其形成的晶体进行最广泛的研究，我的团队发现，随着形状的改变，引导这些晶体结构形成的熵力的方向性也会改变
这种方向性模拟了一个键，由于它是由熵驱动的，我们称之为熵键
" 十二面体形状的纳米粒子
这种理解熵如何在纳米粒子之间产生吸引力的新方法可以加速具有设计特性的纳米材料的发展
学分:密歇根大学格洛泽集团 为什么这很重要？ 格洛泽:“在设计用于自组装的纳米粒子时，熵对创造秩序的贡献经常被忽视，但这是一个错误
如果熵有助于你的系统自我组织，你可能不需要设计粒子之间的显式吸引——例如，使用DNA或其他粘性分子——具有你想象中那么强的相互作用
用我们的新理论，我们可以计算出这些熵键的强度
" “虽然我们已经知道熵相互作用可以像键一样具有方向性，但我们的突破在于，我们可以用一种理论来描述这些键，这种理论与实际化学键中电子相互作用的理论是一致的
那是深刻的
我很惊讶竟然有可能做到这一点
从数学上讲，它把化学键和熵键放在了同一立足点上
这对我们理解物质具有根本的重要性，对制造新材料也具有实际意义
" 电子是那些化学方程式的关键
当没有粒子调节你的纳米粒子之间的相互作用时，你是如何做到的？ 格洛泽:“熵与系统中的自由空间有关，但多年来我不知道如何计算那个空间
Thi最大的洞见是我们可以用虚拟的点粒子来计算那个空间
这给了我们电子的数学模拟
" Vo:“赝粒子在系统中移动，并填充另一个纳米粒子难以填充的空间——我们称之为每个纳米粒子周围的排除体积
随着纳米粒子变得更加有序，它们周围被排除的体积变得更小，并且这些区域中假粒子的浓度增加
熵键是浓度最高的地方
" “在拥挤的条件下，增加阶数所损失的熵被缩小排除体积所获得的熵所抵消
因此，熵最高的构型将是赝粒子占据空间最少的构型
"
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