自然界中存在的晶体结构材料具有多种多样的性质，这些性质启发我们使用人工方法合成原子尺度到宏观尺度的类似结构。微观粒子自组装成宏 观结构的技术为构造二维和三维晶体材料提供了一种利用光刻技术无法达到的稳定方法。但是，通过一般的途径获得多样的结构还存在许多困难。上海交通大学密西根学院的Yellen教授在与美国杜克大学合作下，在本周Nature communication《自然通讯》杂志上发表了一个通用的胶体组装系统，通过改变系统的参数可以获得超过20种不同的结构，包括Kagome结构、 蜂窝结构、方形结构和各种链结构和花状结构。
不同的组装结构是通过控制球形磁性和非磁性微粒小珠之间的相对浓度和作用强度来实现的。当微粒处于磁流体中时，微粒之间同性相斥、异性相吸，和正负电荷的作用相似。研究负责人Yellen教授用类比的方法描述了这个组装过程：“从概念上来说，磁流体的作用是调整不同微粒的有效电荷，诱导它们形成 与氯化钠晶型类似的结构，以及其他自然界中不存在的结构”。尽管过程和电荷类似，但这种类比不是很精确。Yellen教授补充道：“正负电荷系统的微粒带 电量只能是整数单位的电子电荷，但在磁场组装系统中，‘正负电荷’不一定相互抵消，这使得我们可以合成受挫结构，比如各种链结构和花状结构。”
除了实验之外，Yellen教授和他的研究小组还开发了可以通过实验参数预测组装结构的理论模型。Yellen教授解释道：“这项技术的美妙之 处在于我们可以通过选择合适的微粒和磁流体浓度来控制形成的结构。结果显示，组装结构的相行为可以通过一个简单的二元参数模型来描述，两种参数分别是微粒 的相对磁偶极矩和相对浓度，理论和实验的一致性相当显著。”Yellen教授期望可以通过利用不同大小、形状、种类的微粒，实现更多不同晶体结构的组装， 用以提供各种应用以及探究原子级别的晶体形成过程。这项工作由自然科学基金外国青年学者研究基金项目提供资助。
