悬浮在液晶中的六边形二氧化硅可以模拟原子间的相互作用。
在特定光的照射下，大原子周围的液晶分子会以独特的方式发生弯曲。
phys.org网站5月29日报道，《自然》杂志发文称，美国科罗拉多大学博尔德分校的研究人员在控制和组装“大原子”方面取得了重要进展：或许在不远的将来，研究人员或许只需轻轻按下按钮，就能按照需求制造出原子了。新突破的工作主要是围绕胶体粒子展开的。当胶体粒子与液晶混合时，它们会变得很像原子。这使得物理学家们有机会在高于原子尺度的水平研究氢、氦等原子的行为和相互作用。例如，将“大原子”置于不同种类的光下，研究人员只需要点击开关，大原子的电荷机会发生翻转。
物理学教授Ivan Smalyukh说：“我们已经拥有了足够的控制权来设计和决定粒子的组成和性质。该成果就像设计师的工具包。”Smalyukh提及的工具包基于一种简单的成分：液晶。液晶材料通常由排列整齐的分子组成，它可以用于手机、电脑等显示屏。在过去的近十年中，科学家们逐渐注意到了液晶的奇特之处：将诸如微细二氧化硅等微粒加入液晶中时，一度有序的液晶分子就会被挤压至弯曲，以便为“新来者”腾出空间。液晶弯曲的方式在数学上与原子的电子层结构非常相似。
Smalyukh说：“弄清楚液晶是如何围绕粒子弯曲的非常重要。液晶分子的原有状态被破坏时，它会消耗能量，而这些能量会推动有趣的相互作用。”以恰当的方式弯曲液晶分子，二氧化硅微粒就会相互碰撞，表现得像两个结合在一起的原子，但它们的尺寸比真的原子大得多。然而，研究人员无法控制大原子之间的相互作用。现在，他们的团队找到了解决方案。
Smalyukh等利用六边形二氧化硅和液晶制作了独特的胶体混合物。在将二氧化硅加入液晶之前，Smalyukh等预先在二氧化硅表面涂上了特殊染料，这种染料在特定光的照射下，会使二氧化硅产生旋转。例如，混合物受到某种蓝光的照射时，液晶分子会以对应模式沿着二氧化硅弯曲。换用另外一种光，它们又会以完全不同的方式弯曲。应用不同的光-染料组合，Smalyukh等甚至能随心所欲地转换大原子的有效电荷了。物理学博士后研究员、论文作者Ye Yuan说：“打个比方，这几乎就像利用光将物质变成了反物质。并且，我们只需要一盏普通的带滤光片的灯就能实现这一切，而不需要使用高功率激光器。原则上讲，我们可以在科罗拉多某个阳光明媚的日子里，在室外随意看看大原子的相互作用。”
Yuan等对液晶-大原子技术感到兴奋。他们相信，通过适当的调整，研究人员可以用光控方法组装出各种独特的粒子，进而创造或者解离这些自然界中不存在的人造原子结构。
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编译：雷鑫宇
审稿：阿淼
责编：唐林芳
期刊来源：《自然》
期刊编号：0028-0836
原文链接：
https://phys.org/news/2019-05-scientists-big-atoms-demand.html
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