PRL：圆管受限空间所引起的新型最密堆积晶体结构

注：文末有研究团队简介

物理世界中存在着各种各样由颗粒集合而成的堆积系统，而颗粒的形状、排列、相互作用等，对系统的物理特性有着决定性的影响。堆积问题的数学解，可以作为物理学中晶体结构的理论模型，广为人知的例子包括面心立方与密排六方这两种在三维无限空间中的等积球体最密堆积晶体结构。颗粒在受限空间中的最密堆积结构，由于跟材料研发、物流运输等多方面的工程问题相关，也因此引起了科学家的兴趣。其中，圆管中相等大小的硬球所形成的准一维柱状晶体结构，随着圆管与球体的直径比改变，展现出丰富多样的螺旋形结构（见图1），而这类结构可以作为纳米碳管中的C60富勒烯碳球、纳米通道中的共聚物、胶体晶体线、毛细管中的热响应微球、毛细管中的微气泡、流体驱动的聚合物自组装、圆管中的染色体状聚合物等多种实验系统的晶体模型。

图1. 球体在窄圆管中的5种最密堆积晶体结构

与球形颗粒相比，形状呈各向异性的颗粒，相关的堆积问题研究较少。这类颗粒因为带有方向性，所以一般能形成更多类别的自组装结构，而颗粒的形状各向异性对相关的最密堆积排列产生什么影响，是一个有趣而重要的物理问题。哈尔滨工业大学（深圳）理学院三位学者通过蒙特卡洛模拟计算，把上述的圆管空间最密堆积问题延伸至相等大小的旋转椭球。通过改变圆管相对颗粒的尺寸比D和椭球的长短轴比A，他们在窄管的条件下发现了共3种螺旋形结构和4种非手性结构（见图2），而这些结构都呈现出比较有趣的位置序和取向序。在螺旋形结构中，圆管曲面对堆积结构的影响较大，颗粒的方向因而呈旋转式的变化，颗粒的位置分布则类似于球体堆积的手性螺旋结构。而在非手性结构中，椭球受其形状各向异性影响较大，只出现少数特定的取向。对于相同的长短轴比，圆管边界的约束条件使扁椭球与长椭球出现不同的最密结构（见图3），打破了三维无限空间中椭球最密堆积的“扁椭球-长椭球”对称规律。

图2. 旋转椭球在窄圆管中的7种最密堆积晶体结构

图3. 圆管相对颗粒的尺寸比D与椭球的长短轴比A所对应的最密堆积晶体结构

在窄管条件下，椭球颗粒已呈现了多达7种不同的最密堆积晶体结构，可见这只是冰山一角，还有更多的晶体结构有待发现。这项研究展示，可以通过改变D与A这两个几何参数，去调控系统在圆管边界约束条件所引发的手性序与形状各向异性所引发的方向序这两者之间的转变。该研究成果可为新材料（例如由各向异性颗粒组成的胶体晶体线）的研发提供理论基础。相关论文发表在物理学权威期刊Physical Review Letters上，并获选为该期刊的编辑推荐（Editors' Suggestion）。论文作者依次为金炜炜（Weiwei Jin）博士、陈浩基（Ho-Kei Chan）副教授、仲政（Zheng Zhong）教授，金炜炜与陈浩基为论文的共同通讯作者，陈浩基与仲政为本研究的共同指导老师，哈尔滨工业大学（深圳）理学院为论文的唯一完成单位。该论文是学科交叉的成果，金炜炜博士与仲政教授的专业是力学，陈浩基副教授的专业是物理学。

原文：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.248002

Shape-Anisotropy-Induced Ordered Packings in Cylindrical Confinement

Weiwei Jin, Ho-Kei Chan, Zheng Zhong

Phys. Rev. Lett., 2020, 124, 248002, DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.248002

作者简介

金炜炜博士，2012年本科毕业于北京大学理论与应用力学专业，2018年博士毕业于北京大学力学与工程科学系，随后分别在哈尔滨工业大学（深圳）理学院（2018年至2020年）、美国耶鲁大学力学工程与材料科学系（2020年至今）进行博士后研究，其研究方向包括颗粒物质的jamming行为、非球形颗粒的自组装相行为、块体金属玻璃的力学性质。

陈浩基副教授主要从事软物质物理与统计物理的理论研究。他于2002年获得香港理工大学的工程物理学本科学位，并于2007年获得英国曼彻斯特大学的物理学博士学位，随后分别在香港浸会大学、爱尔兰都柏林圣三一大学、英国诺丁汉大学担任博士后研究员。陈浩基是2012年第一届堆积问题国际会议的主要组织者之一，担任了会议的秘书长以及会后论文集的客座副编。

仲政教授是国家杰出青年科学基金获得者，现任哈尔滨工业大学（深圳）理学院院长、博士生导师，主要从事交叉力学研究，正在承担科技部重点研发计划和国家自然科学基金重点项目等研究课题。

X-MOL导师介绍：

陈浩基

https://www.x-mol.com/university/faculty/262323

仲政

https://www.x-mol.com/university/faculty/262324

单位介绍

哈尔滨工业大学（深圳）理学院（http://ssc.hitsz.edu.cn）以高水平的理工交叉应用研究及公共教学服务为特色，致力于以基础理论创新推动工程技术领域的进步，在发展中立足深圳，聚焦国际前沿，坚持走国际化、高起点、高水平的办学之路。理学院有五个一级学科，分别是力学、数学、物理、化学、生物，其中在力学、数学、物理、化学这四个学科设有硕士、博士学位授权点以及博士后流动站，并设有数据科学与大数据技术本科专业，其本硕博在校生规模近四百人。理学院秉承国际化理念，超过百分之九十的老师具有海外留学或工作经历，其教授团队包含院士、国家级杰青、长江学者等高层次人才14人。理学院设有工信部微纳光电重点实验室、氢能与燃料电池研究院、工程力学研究中心、应用数学研究中心，并正在建设物理、化学、生物三个创新实验平台，为工程力学、固体力学、生物力学、光学、凝聚态物理、空间物理、基础数学、应用数学、生物化学等多个领域提供了优秀的科研平台。