Как простата геометрия поражда сложни материали (видео)

Сложни триизмерни мрежи в материалите могат да възникнат само от формата на частиците. Това демонстрира последното проучване на изследователите от университета в Утрехт Родолфо Суберт (Rodolfo Subert) и Маржолайн Дейкстра (Marjolein Dijkstra).

В Nature Communications те описват как прости геометрии, подпомогнати от ентропията, могат да доведат до образуването на слоеве, мрежи и дори спонтанно усукване наляво и надясно, което е феномен, свързван преди това главно с високосложни молекули.

Материалите умеят да се самоорганизират. Молекулите могат да се сглобяват в мембрани, а кристалите могат да се подредят в правилни решетки. Тези структури не само са приятни за гледане, но са и полезни, формирайки основата на технологиите, стоящи зад дисплеите, медицинските материали и интелигентните сензори.

Обичайното предположение е, че такъв ред изисква сложни причини, като електрически заряди, химични реакции и взаимодействия между частиците. Но Родолфо Суберт (Rodolfo Subert) и Маржолайн Дейкстра (Marjolein Dijkstra) показват, че понякога може да бъде много по-просто. В последното си проучване те показват, че формата на градивните елементи сама по себе си може да бъде достатъчна, за да генерира сложни, организирани модели.

Типично самосглобяване на спонтанна холестерична фаза при гасене под налягане от изотропната фаза. Кредит: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-65891-w

Подредба без атрактор

Изследователите са работили с компютърни симулации на виртуални частици. В тези симулации те са използвали твърди, полиедрични форми само с едно правило: на частиците не е позволено да се припокриват. Въпреки това, когато частиците са били достатъчно плътно опаковани, те са започнали да се организират спонтанно. Първо на слоеве, след това в колони и после - триизмерни мрежи. Ентропията, естествената тенденция на системите да се движат към най-вероятното си състояние, играе важна роля тук. Някои подредени структури се оказват просто по-вероятни за частиците, отколкото безредието.

Спонтанно усукване

В крайна сметка симулациите създават дори структури с ясно ляво или дясно усукване. Фактът, че частиците изобщо са започнали да се усукват, е изненадващо, отбелязва Маржолайн Дейкстра. "Самите частици не са усукани, но заедно образуват модел с предпочитание за ляво или дясно усукване. Тази посока не е вградена никъде."

Когато структурите развият такова предпочитание към една посока на усукване, физиците го наричат ​​хиралност. Хиралните структури играят важна роля в биологичните системи и течните кристали. Досега се смяташе, че подобни ефекти изискват сложни, асиметрични, усукани молекули. Това проучване показва, че понякога самата геометрия може да е достатъчна.

Екипът е изследвал твърди, изкривени частици, подобни на тетраедър. Поради формата си, те се подреждат локално като малки чипове Pringles, но това опаковане не може да се разпростре последователно в цялото триизмерно пространство, което води до сложни модели. Кредит: Nature Communications

Поради специфичната си форма, частиците имат леко предпочитание за това, как да се подравняват със съседите си. Но когато тези локални предпочитания се разширят до по-големи мащаби, те вече не пасват заедно. Системата ефективно се блокира. За да се реши това, материалът се огъва, усуква или деформира и от това се появяват сложни модели.

Материали по проект

Въпреки че работата е базирана на симулации, тя не е от значение само като фундаментално изследване. Формите на частиците, използвани в това изследване, по принцип могат да бъдат произведени с помощта на съществуващи техники в колоидната наука. Това означава, че откритията биха могли да помогнат на изследователите да проектират нови материали например с необичайни оптични или механични свойства.

Йерархична структура на хексагоналната колонна фаза. Филмът първо показва как тетраедричните частици се подреждат по тънките си страни, за да образуват дискове; след това дисковете се подреждат в колони; накрая колоните, стеснени от тънките ръбове на дисковете, се интеркалират (вмъкват), за да образуват хексагоналната решетка. Кредит: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-65891-w

Според учените, важат няколко прости правила за проектиране: удължените форми са склонни да създават усукани структури, по-плоските форми предпочитат колоновидните модели, а междинните форми водят до мрежоподобни материали. Изследователят Родолфо Суберт обяснява, че тези видове прости правила са важни за по-нататъшното развитие на изучаването за поведението на материалите.

"В нашето изследване показваме, че понякога изненадващо прости принципи са в основата на сложни модели", казва изследователят.

Справка: Rodolfo Subert et al, Hierarchical self-assembly of simple hard polyhedra into complex mesophases, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-65891-w

Източник: Chemistry isn't always essential for order: How simple geometry gives rise to complex materials, Rosa van den Dool, Utrecht University

Още по темата

30/04/2025

Животът

Можем ли да програмираме живота? Пренаписване на правилата за това как клетките се самоорганизират

09/08/2023

Математика

Математиката предвижда самоорганизираното обучение в реалните неврони

26/05/2020

Космос

Хиралността на живота на Земята се обяснява с потоци космически частици

16/06/2016

Космос

Първото „ръкостискане“ в космоса: хирална молекула в междузведното пространство