材料科学：軟質微小粒子の自己テンプレート集合による複雑な平面充填

自己集合コロイド結晶でアルキメデスの平面充填や非周期的平面充填を符号化することによって、低摩擦コーティングからオプトエレクトロニクス・メタマテリアルまで、さまざまな応用向けの前例のない構造依存的な特性が現れる見込みがある。しかし、数多くの計算機研究において、単純な粒子間相互作用からでもエキゾチックな構造が予測されているにもかかわらず、複雑な非六方晶の実現は依然として実験的に困難である。今回我々は、液–液界面に吸着させた同一の球状軟質微小粒子からなる六方充填単層2枚を固体基板上に順次固定すると、微粒子が集合してさまざまな二次元微細パターンを形成し得ることを示す。最初の単層は最低エネルギーの六方構造を維持し、次の単層の粒子を再配列させる鋳型として機能する。2つの格子間のフラストレーションに起因して、全ての粒子を一度に集合させた場合には出現しないような対称性が生じる。2枚の単層の充填率を変化させるだけで、長方形格子やハニカム格子などの低配位構造だけでなく、非周期平面充填を符号化する偏菱形超格子、六方超格子、ヘリンボーン超格子も得られた。この格子形成は方向性結合を用いずに実現されており、形成された構造は平衡構造である。分子動力学シミュレーションによって、これらの構造が熱力学的に安定であり、短距離の反発相互作用によって生じることが示された。従って、こうした構造は予測が容易となり、複雑な微細パターンの合理的設計への道が示唆される。

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