熵，一种通常被解释为“无序”的物理特性，被揭示为秩序的创造者，密歇根大学开发了一种新的键合理论，并发表在《美国国家科学院院刊》上。
工程师梦想使用纳米粒子来构建设计材料，而新理论可以帮助指导将纳米粒子组装成有用结构的努力。该理论解释了早期探索空间受限纳米粒子形成晶体结构的结果，使熵能够在未来的努力中被量化和利用。
奇怪的是，控制由熵引起的纳米粒子相互作用的方程组反映了描述化学键合的方程组。Anthony C. Lembke 化学工程系主任 Sharon Glotzer 和化学工程博士后研究员 Thi Vo 就他们的新理论回答了一些问题。
什么是熵键?
Glotzer：“熵键是解释纳米粒子如何相互作用形成晶体结构的一种方式。它类似于原子形成的化学键。但与原子不同的是，没有电子相互作用将这些纳米粒子结合在一起。相反，吸引力的产生是因为熵。”
“通常，熵与无序相关，但它实际上与选择有关。当纳米粒子挤在一起并且选择有限时，事实证明，纳米粒子最可能的排列可能是特定的晶体结构。这种结构为系统提供了最多的选择，因此熵最高。当粒子彼此靠近时，会产生很大的熵力。
“通过对粒子形状及其形成的晶体进行最广泛的研究，我的小组发现，当你改变形状时，你会改变引导这些晶体结构形成的熵力的方向性。这种方向性模拟了一种键，并且因为它是由熵驱动的，所以我们称之为熵键。”
十二面体形状的纳米粒子。这种理解熵如何在纳米粒子之间产生吸引力的新方法可以加速具有设计特性的纳米材料的开发。图片来源：Thi Vo，Glotzer Group，密歇根大学
为什么这很重要?
Glotzer：“在设计用于自组装的纳米粒子时，熵对创造秩序的贡献经常被忽视，但这是一个错误。如果熵帮助你的系统自我组织，你可能不需要设计粒子之间的显式吸引力——例如，使用 DNA 或其他粘性分子——与你想象的一样强的相互作用。利用我们的新理论，我们可以计算出这些熵键的强度。”
“虽然我们已经知道熵相互作用可以像键一样是方向性的，但我们的突破是我们可以用一种理论来描述这些键，该理论与您为实际化学键中的电子相互作用写下的理论相匹配。那是深刻。我很惊讶它甚至可以做到这一点。从数学上讲，它把化学键和熵键放在了同一个基础上。这对于我们理解物质和制造新材料都非常重要。
不过，电子是这些化学方程式的关键。当没有粒子介导您的纳米粒子之间的相互作用时，您是如何做到这一点的?
Glotzer：“熵与系统中的自由空间有关，但多年来我不知道如何计算那个空间。这是一个重要的见解，我们可以使用虚构的点粒子来计算那个空间。这给了我们数学类比的电子。”
Vo：“赝粒子在系统周围移动并填充另一个纳米粒子难以填充的空间——我们称之为每个纳米粒子周围的排除体积。随着纳米粒子变得更加有序，它们周围的排除体积变得更小，并且那些区域的赝粒子浓度增加。熵键是浓度最高的地方。
“在拥挤的条件下，增加阶数所损失的熵被排除体积缩小所获得的熵所抵消。因此，熵最高的配置将是赝粒子占据空间最小的配置。”