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

在被称为胶体（由悬浮在液体中的微小颗粒组成）的世界里，物体如何粘合在一起很大程度上取决于它们的形状以及它们哪里具有粘性。想象一下一群人试图排成一队；如果每个人都是完美的圆形，并且对每个人都同样友好，他们自然会尽可能紧密地聚集在一起，不留任何缝隙。然而，如果你给这些人一个特定的规则——比如，他们只能与站在他们两侧的两个特定的人握手，而且他们的形状是长椭圆形而不是圆形——结果就会完全不同。他们不再是形成一个紧密的固体块，而是被迫排列成开放的、多孔的网络，中间带有孔洞。科学家们长期以来一直对这些开放结构感兴趣，因为它们独特的形状可以控制光线如何穿过它们或流体如何穿过它们，这些特性对于创造先进材料至关重要。这种结构的一个著名例子是笼目晶格（kagome lattice），一种类似于编织篮子的图案，它高度有序却又充满了空隙。

维也纳技术大学的研究人员最近探索了将这些具有粘性的颗粒从球形改为拉长的椭圆形，是如何改变它们构建这些网络的方式的。他们利用计算机模拟观察了数千个这种椭圆形的颗粒，每个颗粒在两端有两个粘性点，观察它们在不同的温度和浓度条件下是如何组装的。他们的目标是观察形状的变化仅仅是让相同的图案以不同的方式出现，还是从根本上改变了颗粒寻找彼此并锁定位置的规则。他们发现，虽然这些颗粒仍然形成了美丽的、有序的笼目晶格，但它们到达该结构的路径却出人意料地直接。与那些通常先构建长链然后将其重新排列成最终图案的圆形颗粒不同，这些椭圆颗粒直接跳到了完成后的结构。

研究小组观察到，通过调节温度和颗粒的密度，他们可以调节系统使其成为完美的有序晶体或混乱的无序网络。当条件恰到好处时，颗粒会形成一个规则的网格，其中每个孔洞都是由六个颗粒组成的完美环路。随着环境变得更加拥挤或寒冷，这种有序性开始崩溃。完美的环路开始发生扭曲，产生五边形或七边形的孔洞，最终网络变成了一个由不同形状组成的混沌混合体。为了理解这种混沌，研究人员开发了一种新的映射连接的方法。他们不仅仅是计算有多少颗粒相互接触，还追踪了哪些具体的粘性点相连。这使得他们能够看到椭圆颗粒具有一种独特的灵活性；它们比圆形颗粒更容易弯曲其连接，这似乎帮助它们跳过了形成链条的中间步骤，直接去构建复杂的晶格。

研究还表明，这些网络的崩溃并非随机过程。随着有序度的消失，网络中的孔洞并不仅仅是变大，它们还改变了特征。研究人员发现，网络对五边形孔洞的偏好高于七边形孔洞，这种特定的不平衡在其他类型的粘性颗粒中也被观察到过，但现在在这些椭圆形颗粒中得到了证实。这种转变表明，椭圆形的形状使得颗粒更容易形成某些类型的缺陷，同时让另一些类型的缺陷难以实现。团队还观察到，在无序区域中出现了奇怪的、类似梯子的结构，这些结构可能正在与笼目图案竞争主导地位，尽管他们还无法证明哪种结构更稳定。

或许最重要的发现是这些颗粒是如何从头开始组装的。在对圆形颗粒的模拟中，科学家们此前观察到一个两步过程：颗粒首先聚集在一起形成长长的、丝状的链，然后这些链才展开并重新组织成最终的晶格。然而，椭圆颗粒并没有这样做。当研究人员降低温度以触发组装时，这些颗粒立即形成了有序的环路，从未经过长链阶段。这表明，拉长的形状为颗粒提供了另一种自由度，使它们能够更直接地找到在晶格中的正确位置。研究人员指出，在较低温度下，这些新结构的核变得更加粗糙且具有分支状，充满了更多的五边形缺陷，这表明组装速度是以牺牲完美的平滑度为代价的。

这项工作提供了一个清晰的例子，说明简单的几何变化——将球体拉伸成椭圆——是如何重写自组装规则的。它表明，材料形成的路径与其最终呈现的形状同样重要。通过引入一种新的映射连接之间粘性点的方法，研究人员为自己提供了一个强大的工具来观察这些网络内部，从而区分了简单的键合与此前在标准分析中无法看到的复杂环路。虽然这项研究完全是通过计算机模拟进行的，但其发现为形状如何影响复杂材料的形成提供了一个引人注目的假设。结果表明，通过设计具有特定形状和粘性点的颗粒，科学家们或许能够引导具有精确控制的孔隙率和有序度的材料形成，从而为工程化制造那些目前无法实现的过滤、传感或导光材料开启新的大门。