科学家首次直接观测到了自组装纳米材料内部的声子波动力学，从而释放了可定制、可重构超材料的潜力，其应用范围涵盖从减震器到先进计算。
声子是一种自然现象，可以被视为离散的能量波包，它们穿过材料的构建单元——无论是原子、粒子还是3D打印的铰链——引起这些单元振动并传递能量。这是对在各种情境下观察到的常见特性的量子力学描述，这些情境包括热传递、声音传播，甚至地震产生的地震波。
一些材料，无论是人造的还是天然的，其设计旨在引导声子沿特定路径移动，从而赋予其特定的机械属性。现实生活中的两个例子包括用于建筑结构中以在地震期间抵抗地震波的材料，以及深海海绵坚固而轻质的骨架演化，这使它们能够承受深水环境的极端压力。
“利用我们伊利诺伊大学实验室开发的液相电子显微镜技术，这项新研究标志着我们首次能够观察纳米粒子自组装中的声子动力学，这些自组装体充当了一种新型机械超材料，”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校材料科学与工程教授钱晨说。
“这开辟了一个新的研究领域，即纳米级构建单元——连同其固有的光学、电磁和化学性质——可以被整合到机械超材料中，”毛说，“从而在从机器人技术、机械工程到信息技术等多个领域实现新兴技术。”
“这项工作还展示了机器学习在推进复杂粒子系统研究方面的潜力，使得观察由复杂动力学控制的自组装路径成为可能，”潘说。“它为利用机器学习和人工智能进行可重构胶体超材料的数据驱动逆向设计开辟了新途径。”
海军研究办公室、国家科学基金会、国防竞争性研究激励计划和陆军研究办公室资助了这项研究。
钱晨还隶属于伊利诺伊大学的材料研究实验室、化学系、化学与生物分子工程系、卡尔·R·沃斯基因组生物学研究所以及贝克曼先进科学技术研究所。