許多科學技術的核心挑：混亂中隱藏著秩序

將空間劃分為具有最佳幾何特性單元是許多科學技術領域的核心挑戰。卡爾斯魯厄理工學院(Karlsruhe Institute of Technology, KIT)研究人員和來自多個國家的同事現在發現，在非晶態，即無序的系統中，單個細胞的優化逐漸導致相同結構，儘管它仍然是非晶態的。無序結構很快收斂到超均勻性，這是一種在大尺度上隱藏的秩序，其研究發表在《自然通訊》上有。科學研究往往需要尋找一種最佳泡沫或一種儘可能緊密地包裝球體的方法。長期以來，科學家們一直在研究三維空間的理想鑲嵌。

它不僅具有理論意義，而且與許多實際應用有關，其中包括電信、圖像處理或複雜顆粒。基特隨機研究所的研究人員現在研究了一個特殊鑲嵌問題，量化器問題該研究所的前工作人員（目前在美國普林斯頓大學）邁克爾·安德烈亞斯·克拉特(Michael Andreas Klatt)博士說：

我們的目標是把空間分割成細胞，直觀地說，細胞中的所有點都要儘可能靠近細胞中心。這項理論工作結合了隨機幾何和統計物理的方法。KIT，普林斯頓大學，弗里德里希 - 亞歷山大大學（FAU）埃爾蘭根 - 紐倫堡

不管系統一開始有多混亂，每個單元的單獨優化都會逐漸形成具有隱藏順序的相同結構。圖片：Michael A. Klatt

薩格勒布的Ru?erBo?kovi?研究所和珀斯默多克大學研究人員使用了所謂的勞埃德演算法，這是一種將空間劃分為均勻區域的方法。每個區域都有一個中心，並且包含空間中最靠近這個中心的點。這些區域被稱為Voronoi細胞。Voronoi圖由所有具有多個最近中心的點組成，從而形成區域的邊界。科學家們研究了不同點模式的逐步局部優化，發現所有完全非晶態，即無序態不僅保持完全非晶態，而且初始的不同過程收斂到一個統計上難以區分的整體。逐步局部優化也能快速補償極端的全球密度波動。

由此產生的結構幾乎是超均勻的，並沒有表現出任何的明顯，而是在大範圍內隱藏秩序。因此，在非晶態系統中隱藏的這一順序是普遍的，即穩定且不依賴於初始狀態的性質。這為研究有序與無序的相互作用提供了基本視角，並可用於開發新型材料。特別令人感興趣的是類似於光半導體或所謂嵌段共聚物的光子超材料，即由較長序列或各種分子塊組成的納米粒子，它們以自組織的方式形成規則而複雜的結構。

博科園｜研究/來自: 俄勒岡大學/Jim Barlow

參考期刊《納米快報》

DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b00357

博科園-傳遞宇宙科學之美

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