世界上最复杂的微粒-超越自然复杂性的合成物

尖锐的纳米颗粒由弯曲的金-半胱氨酸纳米片制成，它们都沿相同的方向扭曲，因此达到了最高的测量复杂度。它吸收紫外线，并在光谱的可见光部分发射扭曲的光。

密歇根大学领导的一个国际团队生产了比自然界中最复杂的一些复杂的合成微粒。他们还研究了这种复杂性是如何产生的，并设计了一种测量它的方法。

这些发现为更稳定的流体和颗粒混合物（例如油漆）和扭曲光的新方法铺平了道路，这是全息投影仪的先决条件。

粒子由扭曲的尖峰组成，这些尖峰排列成一个直径为几微米或百万分之一毫米的球。

如果将金半胱氨酸纳米片设计为保持平坦，则结果是一个中等复杂的设计，研究人员将其称为“皮划艇”颗粒。

生物学是纳米级和微米级复杂性的伟大创造者，具有诸如植物花粉，免疫细胞和某些病毒之类的尖峰结构。在新的合成颗粒的规模中，最复杂的天然颗粒是尖刻的球墨镜。这种藻类的直径只有几微米，因其周围构造复杂的石灰石壳而闻名。为了更好地理解控制此类粒子如何生长的规则，科学家和工程师试图将其制作在实验室中。但是直到现在，还没有正式的方法来衡量结果的复杂性。

尼古拉斯·科托夫（Nicholas Kotov），约瑟夫·B·约瑟夫（Joseph B.）和弗洛伦斯·V·塞伊卡（Florence V. Cejka）表示：“数字统治着世界，能够严格描述尖刻的形状并赋予复杂性以数字，这使我们能够使用人工智能和机器学习等新工具来设计纳米颗粒。” UM的工程学教授，领导了该项目。

该团队由巴西圣卡洛斯联邦大学和巴西圣保罗大学以及加利福尼亚理工学院和宾夕法尼亚大学的研究人员组成，他们使用了新框架来证明它们的粒子比球墨镜。

当平坦的金纳米片彼此粘合而没有几个相互矛盾的限制时，就会出现这些相对简单的颗粒。

由联邦大学化学教授安德烈·法里亚斯·德·莫拉（AndréFarias de Moura）领导的研究小组的计算部门研究了粒子的量子特性以及作用于纳米级构建基块上的力。

手性是造成复杂性的关键因素之一，在这种情况下，趋向于顺时针或逆时针旋转。他们通过用称为半胱氨酸的氨基酸涂覆纳米级的硫化金片作为手性材料，从而引入了手性。半胱氨酸有两种镜像形式，一种以顺时针方向推动金片堆叠，另一种趋向于逆时针方向。对于最复杂的粒子，即带有扭曲的刺的尖刺球，每个金片都涂有相同形式的半胱氨酸。

该团队还控制了其他交互。通过使用扁平的纳米粒子，他们产生了扁平而不是圆形的尖峰。他们还使用带电荷的分子来确保纳米级组件由于排斥作用而将自身组装成更大的颗粒，直径大于几百纳米。

球石藻Syracosphaera anthos生产的石灰石壳是自然界中这种规模的最复杂的颗粒之一，比皮艇颗粒更复杂，但比尖刺的合成颗粒更不复杂。

材料科学与工程学和高分子科学与工程学教授科托夫说：“这些法律经常相互冲突，并且复杂性之所以出现，是因为这些纳米粒子社区必须满足所有人的要求。”

这种复杂性可能会有用。花粉等颗粒上的纳米级尖峰可防止它们聚集在一起。类似地，研究团队在这些颗粒上形成的尖峰实际上帮助它们分散在任何液体中，这一特性对于稳定诸如油漆之类的固/液混合物很有用。

带有扭曲尖峰的微粒也会吸收紫外线，并相应地发出扭曲（或圆偏振）的可见光。

“对这些排放物的了解是调查中最困难的部分之一，”德穆拉说。

从实验和模拟的结果来看，似乎紫外线能量被吸收到了粒子的心中，并通过量子机械相互作用而转化，直到它通过弯曲的尖峰离开时才变成圆偏振可见光。

研究人员认为，他们发现的策略可以帮助科学家设计能够改善生物传感器，电子学和化学反应效率的粒子。

这项研究的标题是“层次结构化的手性粒子中复杂性的出现”，并发表在《科学》杂志上。这项研究由美国国防部，国家科学基金会和巴西资助机构CAPES，CNPq和FAPESP资助。颗粒在密歇根州材料表征中心进行了研究。