Networks of triblock ellipses: from kagome order to disordered porous networks

コロイドとして知られる、液体中に浮遊する微小な粒子の世界では、物事がどのように結合するかは、その形状と「粘着性」がある場所に大きく依存します。例えば、人々が列を作ろうとしている場面を想像してみてください。もし全員が完璧な球体で、誰に対しても平等に親しみやすい性質を持っていれば、彼らは自然と可能な限り密に集まり、隙間を残しません。しかし、もし彼らに特定のルールを与えたらどうでしょう。例えば、「両側に位置する特定の二人としか手を繋いではいけない」というルールがあり、さらに彼らが円形ではなく細長い楕円形をしているとしたら、結果は全く異なるものになります。彼らは密な固形ブロックになる代わりに、中央に穴が開いた、開いた、多孔質なネットワークへと強制的に配置されることになります。科学者たちは、これらの開いた構造に長年関心を寄せてきました。なぜなら、その独特な形状によって、光の透過や流体の移動を制御できるためであり、それらの特性は高度な材料を創出する上で極めて重要だからです。このような構造の有名な例が、編まれた籠のようなパターンを持つカゴメ格子であり、これは高度に秩序立っていながらも、空隙に満ちています。

ウィーン工科大学の研究チームは最近、これらの粘着性のある粒子の形状を球体から細長い楕円形へと変えることで、ネットワークの構築方法がどのように変化するかを探求しました。彼らはコンピュータシミュレーションを用い、それぞれが両端に2つの粘着スポットを持つ、これら楕円形の粒子数千個が、温度や濃度の異なる条件下でどのように組み立てられていくかを観察しました。彼らの目的は、形状の変化が単に同じパターンを異なる見え方にするだけなのか、それとも粒子が互いを見つけ出し、固定されるためのルールを根本的に変えてしまうのかを確認することでした。その結果、粒子は依然として美しい秩序あるカゴメ格子を形成しましたが、そこに至る経路が驚くほど直接的であることが判明しました。丸い粒子が通常、まず長い鎖を作り、その後にそれらを再編成して最終的なパターンを作るのに対し、これらの楕円形の粒子は、完成した構造へと直接飛び込んだのです。

研究チームは、温度と粒子の密度を調整することで、システムを完全に秩序ある結晶、あるいは乱れた無秩序なネットワークのいずれかに調整できることを観察しました。条件が最適であれば、粒子はすべての穴が6つの粒子による完璧なループである規則的な格子を形成します。環境がより混雑したり低温になったりすると、この秩序は崩れ始めます。完璧なループは歪み始め、5角形や7角形の穴が生成され、最終的にはさまざまな形状が混在する混沌とした混合物となります。この混沌を理解するために、研究者たちは接続をマッピングする新しい方法を開発しました。単に粒子がいくつ接しているかを数えるのではなく、どの粘着スポットが接続されているかを正確に追跡したのです。これにより、楕円形の粒子には独特の柔軟性があることが分かりました。彼らは丸い粒子よりも接続をより容易に曲げることができ、それが鎖を形成するという中間ステップをスキップして、直接複雑な格子を構築することを可能にしているようです。

また、この研究はこれらのネットワークがどのように崩壊するかについても明らかにしました。秩序が消失するにつれ、ネットワーク内の穴は単に大きくなるだけでなく、その性質が変化します。研究者たちは、ネットワークが7角形の穴よりも5角形の穴を好む傾向を持つことを見出しました。この特定の不均衡は、他のタイプの粘着性粒子でも見られてきたものですが、今回の楕円形においても確認されました。このシフトは、楕円形の形状が特定の種類の欠陥を形成しやすくする一方で、他の種類の欠陥の形成を困難にしていることを示唆しています。チームはまた、無秩序な領域に奇妙な梯子状の構造が形成されているのを捉えました。これはカゴメ格子と支配権を争っている可能性がありますが、どちらの構造がより安定しているかはまだ証明できていません。

おそらく最も重要な発見は、粒子がゼロからどのように組み立てられたかという点です。丸い粒子のシミュレーションでは、科学者たちは以前、2段階のプロセスを目撃していました。すなわち、粒子がまず長い紐状の鎖へと集まり、その後、それらの鎖が解けて再編成されることで最終的な格子になるというプロセスです。しかし、楕円形の粒子はこれを行いませんでした。研究者が組み立てを促すために温度を下げると、粒子は長い鎖という段階を経ることなく、即座に秩序あるループを形成しました。これは、粒子の細長い形状が異なる種類の自由度を提供し、格子内の正しい位置をより直接的に見つけることを可能にしていることを示唆しています。研究者たちは、低温時には新しい構造の核がより粗く、枝分かれした形状になり、より多くの5角形の欠陥を含むようになることに注目しました。これは、組み立ての速度が完璧な滑らかさを犠入（犠牲）にした結果であることを示しています。

この研究は、幾何学的な単純な変化――球を楕円へと引き伸ばすこと――がいかに自己組み立てのルールを書き換えるかを示す明確な例となっています。材料がどのような経路を経て形成されるかは、最終的な形状と同じくらい重要であることを示しています。粘着スポット間の接続をマッピングする新しい手法を導入することで、研究者たちは、従来の標準的な分析では不可視であった単純な結合と複雑なループを区別し、ネットワークの内部を見通す強力なツールを手に入れました。この研究はすべてコンピュータシミュレーションを通じて行われましたが、その知見は、形状がいかに複雑な材料の形成に影響を与えるかについての説得力のある仮説を提示しています。結果は、特定の形状と粘着スポットを持つ粒子を設計することで、科学者が精密に制御された多孔性と秩序を持つ材料の形成を導ける可能性を示唆しており、現在では不可能な方法で、ろ過、感知、または光の伝導を行う材料を設計するための新たな扉を開こうとしています。