用纳米颗粒制成的笼状结构可能是用混合材料制造有组织的纳米结构的途径，密歇根大学的研究人员已经展示了如何通过计算机模拟来实现这一目标。

这一发现可能为光子材料开辟新的途径，这些材料以天然晶体无法做到的方式操纵光。它还展示了一种不寻常的效果，该团队称之为熵区隔。

“我们正在开发跨尺度构建物质的新方法，发现可能性以及我们可以使用的力量，”Anthony C. Lembke化学工程系主任Sharon Glotzer说，他领导了今天发表在Nature Chemistry上的这项研究。“熵力可以稳定比我们想象的更复杂的晶体。

虽然熵通常被解释为系统中的无序，但它更准确地反映了系统最大化其可能状态的趋势。通常，这最终会成为口语意义上的混乱。氧分子不会挤在一个角落里——它们分散开来填满一个房间。但是如果你把它们放在合适尺寸的盒子里，它们自然会把自己整理成一个可识别的结构。

纳米粒子也做同样的事情。此前，Glotzer的团队已经证明，双金字塔粒子 - 就像两个短的三面金字塔粘在它们的底部 - 如果你把它们放在一个足够小的盒子里，会形成类似于火冰的结构。火冰是由水分子组成的，在甲烷周围形成笼子，它可以同时燃烧和融化。

这种物质在海底下大量存在，是包合物的一个例子。包合物结构正在研究一系列应用，例如从大气中捕获和去除二氧化碳。

与水包合物不同，早期的纳米颗粒包合物结构没有间隙来填充其他材料，这可能为改变结构的性质提供新的和有趣的可能性。团队想要改变这种状况。

“这一次，我们研究了如果我们改变粒子的形状会发生什么。我们推断，如果我们稍微截断粒子，它会在双锥体粒子形成的笼子中创造空间，“化学工程博士毕业生，该论文的第一作者Sangmin Lee说。

他从每个双锥体上取下了三个中心角，发现了结构中出现空间的最佳点，但金字塔的侧面仍然完好无损，以至于它们没有开始以不同的方式组织。当空间是系统中唯一的粒子时，用更多截断的双锥体填充。当添加第二个形状时，该形状成为捕获的客体粒子。

Glotzer对如何创造选择性粘性的侧面有想法，使不同的材料能够充当笼子和客体颗粒，但在这种情况下，没有胶水将双锥体固定在一起。相反，该结构完全被熵稳定。

“从模拟来看，真正令人着迷的是主机网络几乎被冻结了。宿主粒子移动，但它们都像一个单一的刚性物体一样一起移动，这正是水包合物发生的情况，“Glotzer说。“但是客体粒子正在疯狂地旋转——就像系统将所有熵倾倒到客体粒子中一样。

这是截断的双锥体在有限空间内可以建造的自由度最高的系统，但几乎所有的自由都属于客体粒子。研究人员说，水中的甲烷也会旋转。更重要的是，当他们移除客体颗粒时，该结构将作为网络笼结构一部分的双锥体扔进笼子内部 - 拥有旋转粒子来最大化熵比拥有完整的笼子更重要。

“熵区隔。这不是很酷吗?我敢打赌，这也会发生在其他系统中 - 不仅仅是包合物，“Glotzer说。