由密歇根大學領導的一個國際小組製造出了比自然界中一些最複雜的微粒更復雜的合成微粒。他們還研究了這種複雜性是如何產生的，並設計了一種測量方法。
這些發現為更穩定的流體和顆粒混合物（例如油漆）和扭曲光的新方法鋪平了道路，這是全息投影儀的先決條件。
粒子由扭曲的尖峰組成，這些尖峰排列成一個直徑為幾微米或百萬分之幾毫米的球。
生物學是納米級和微米級複雜性的偉大創造者，具有諸如植物花粉，免疫細胞和某些病毒之類的尖峰結構。
在新的合成顆粒範圍內，最複雜的天然顆粒中有尖刺的球墨鏡。這種藻類的直徑只有幾微米，因其自身周圍構造複雜的石灰石殼而聞名。
為了更好地理解控制此類粒子如何生長的規則，科學家和工程師試圖將其製作在實驗室中。但是直到現在，還沒有正式的方法來衡量結果的複雜性。
尼古拉斯·科托夫（Nicholas Kotov），約瑟夫·B·約瑟夫（Joseph B.）和弗洛倫斯·V·塞伊卡（Florence V. Cejka）說：“數字統治著世界，能夠嚴格描述尖刻的形狀並賦予複雜性以數字，這使我們能夠使用人工智能和機器學習等新工具來設計納米粒子。” UM的工程學教授，領導該項目。
如果將半胱氨酸金納米片設計為保持平坦，則結果是一箇中等複雜的設計，研究人員將其稱為“皮划艇”顆粒。圖片來源：江文峰，密歇根大學Kotov實驗室
該團隊由巴西聖卡洛斯聯邦大學和巴西聖保羅大學以及加利福尼亞理工學院和賓夕法尼亞大學的研究人員組成，他們使用了新框架來證明其粒子比球墨鏡。
由聯邦大學化學教授安德烈·法里亞斯·德·穆拉（AndréFarias de Moura）領導的研究小組的計算部門研究了粒子的量子特性以及作用於納米級構建塊的力。
手性是造成複雜性的關鍵因素之一，在這種情況下，趨向於順時針或逆時針旋轉。他們通過用一種稱為半胱氨酸的氨基酸塗覆納米級的硫化金片作為手性材料來引入手性。半胱氨酸以兩種鏡像形式出現，一種以順時針方向推動金片堆疊，另一種趨向於逆時針方向。對於最複雜的粒子，即帶有扭曲的刺的尖刺球，每個金片都塗有相同形式的半胱氨酸。
該團隊還控制了其他交互。通過使用扁平的納米粒子，他們產生了扁平而不是圓形的尖峰。他們還使用帶電荷的分子來確保納米級組件由於排斥作用而將自身組裝成更大的顆粒，直徑大於幾百納米。
當平坦的金納米片彼此粘合而沒有幾個相互矛盾的限制時，就會出現這些相對簡單的顆粒。圖片來源：江文峰，密歇根大學Kotov實驗室
材料科學與工程學和高分子科學與工程學教授科托夫說：“這些定律經常相互衝突，並且出現複雜性是因為這些納米粒子社區必須滿足所有這些要求。”
這種複雜性可能會有用。花粉等顆粒上的納米級尖峰可防止它們聚集在一起。類似地，研究團隊在這些顆粒上形成的尖峰實際上幫助它們分散在任何液體中，這一特性對於穩定油漆等固體/液體混合物非常有用。
帶有扭曲尖峰的微粒也會吸收紫外線，並相應地發出扭曲（或圓偏振）的可見光。
德穆拉說：“對這些排放物的瞭解是調查中最困難的部分之一。”
從實驗和模擬的結果來看，似乎紫外線能量被吸收到了粒子的心中，並通過量子機械相互作用進行了轉換，直到它通過彎曲的尖峰離開時變成了圓偏振可見光。
球石藻Syracosphaera anthos生產的石灰石殼是自然界中發現的最複雜的這種規模的顆粒之一，比皮艇顆粒更復雜，但比尖刺的合成顆粒更復雜。由mikrotax.org提供
研究人員認為，他們發現的策略可以幫助科學家設計能夠改善生物傳感器，電子學和化學反應效率的粒子。
這項研究的標題是“層次結構化的手性粒子中複雜性的出現”，並發表在《科學》雜誌上。
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