纳米世界中的模式形成

科技

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德国马克斯·普朗克动力与自组织研究所（MPI-DS）的科学家开发了一种新模型，将弹性相分离理论扩展到纳米结构。这些图案在生物系统中经常出现，并且也用于纳米工程来创建结构颜色。有了他们的新见解，科学家可以预测纳米图案的长度尺度，从而在生产过程中控制它们。

明确定义的结构图案在生物系统中随处可见。一个众所周知的例子是鸟羽毛和蝴蝶翅膀的着色，这依赖于纳米结构的规则排列，即结构颜色。这样的图案通常通过相分离形成。不同的组分彼此分离，类似于油与水的分离。然而，目前尚不清楚自然如何创造导致这种颜色的明确定义的图案。通常，在亚微米尺度上制造合成材料是一个常见的挑战。

控制相分离产生的结构的一种方法依赖于弹性：材料的变形在宏观尺度上可以用弹性理论进行良好描述，例如解释橡胶在受力影响下的变形方式。然而，在纳米尺度上，材料不再均匀，宏观描述已经不够了。相反，分子的实际排列很重要。此外，任何材料的变形都需要能量，这阻碍了大范围的变形。因此，相分离形成的单个液滴无法无限增长。取决于它们的排列方式，可能会出现规则的图案。

马克斯·普朗克研究所“生物流体理论”研究小组负责人David Zwicker及其团队现在开发了一个模型来解决这一问题。他们提出了一种基于非局部弹性的理论，以预测相分离的图案形成。“有了我们的新模型，我们现在可以考虑相关的额外方面来描述系统，” Zwicker说道。“以原子细节建模所有的分子组分将超出计算能力。因此，我们将现有理论扩展到与网格大小相当的较小结构。”他解释道。

新理论预测了材料性质如何影响形成的图案。因此，它可以帮助工程师根据自然利用的自组织物理原理来创建特定的纳米结构。

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