新模型将图案形成理论扩展到纳米宇宙

马克斯·普朗克动力学与自组织研究所 (MPI-DS) 的科学家开发的新模型将弹性相分离理论扩展到纳米级结构。这种图案在生物系统中很常见，也用于纳米工程中以产生结构颜色。凭借他们的新见解，科学家们可以预测纳米级图案的长度尺度，从而在生产过程中对其进行控制。该模型发表在《 Physical Review X》杂志上。

明确定义的结构模式在生物系统中随处可见。一个众所周知的例子是鸟类羽毛和蝴蝶翅膀的着色，它依赖于纳米结构的规则排列，称为结构色。这种图案通常是通过相分离形成的。

不同的成分相互分离，类似于油与水的分离。然而，目前尚不清楚大自然如何创造出明确的图案来产生这种颜色。一般来说，制造这种亚微米长度的合成材料是一个常见的挑战。

控制相分离结构的一种方法依赖于弹性：弹性理论可以在宏观尺度上很好地描述材料的变形，例如，解释一块橡胶在力的作用下如何变形。然而，在纳米尺度上，材料不再均质，并且材料的宏观描述是不够的。

相反，分子的实际排列很重要。此外，使任何材料变形都需要能量，因此阻碍了大的变形。因此，通过相分离形成的单个液滴不能无限地生长。根据它们的排列，可以出现规则的模式。

由 MPI-DS 马克斯·普朗克“生物流体理论”研究小组负责人 David Zwicker 领导的科学家们现已开发出一个模型来解决这个问题。他们提出了一种基于非局部弹性的理论来预测相分离的图案形成。

“通过我们的新模型，我们现在可以考虑相关的附加方面来描述系统，”Zwicker 说。 “对原子细节中的所有分子成分进行建模将超出计算能力。相反，我们将现有理论扩展到与网格尺寸相当的更小的结构，”他解释道。

新理论预测了材料特性如何影响形成的图案。因此，它可以帮助工程师遵循大自然利用的自组织物理原理来创建特定的纳米结构。