各向异性胶体粒子间相互作用的测量与设计 | 进展

相互作用是决定物质结构、热力学性质、动力学性质和相行为的核心因素之一。在软物质研究中，粒子间基本相互作用的测量比简单分子系统更为困难；尤其当粒子具有不规则形状时，其相互作用往往依赖于多个结构自由度。精确测量各向异性相互作用势，对于理解自组装机理、预测材料结构以及逆向设计功能材料具有重要意义。然而，由于各向异性体系自由度多、多体效应显著，如何从实验数据中高效、准确地提取相互作用势，长期以来一直是软物质物理领域的重要挑战。

传统实验常通过统计方法反推相互作用，即利用概率分布与势能之间的玻尔兹曼关系，统计大量粒子位形，进而反推出势能函数。然而，当粒子间相互作用较为复杂时，所需统计数随自由度数目增加呈指数增长，传统方法在实验上几乎不可行。因此，如何在有限实验数据下准确提取各向异性相互作用，并进一步利用这些相互作用指导胶体粒子的设计，成为亟待解决的关键难题。

图. 各向异性测试粒子插入法(ATPI)原理图。 (a)一对各向异性粒子之间的相对位置可以用三参数坐标来表示。(b)蓝色粒子为实际粒子的构型，将虚粒子（红色）以随机的方向独立地插入到每个虚线格点上，并计算构形的对关联函数与势能增量。

最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心软物质物理实验室陈科研究员与杨明成研究员团队将经典的测试粒子插入方法推广到各向异性体系，发展了各向异性测试粒子插入（Anisotropic Test Particle Insertion, ATPI）方法。该方法在网格点上插入取向随机的虚拟测试粒子，计算插入引起的系统势能增量，并由此迭代更新试探势，直至虚拟系统与真实系统的对分布函数吻合。得益于算法的高度并行性，ATPI 可在 GPU 集群上高效运行。研究团队首先在分子动力学模拟中验证了 ATPI 的准确性，精确还原了哑铃形和三角形粒子预设的理论相互作用势。随后，该团队将 ATPI 应用于超顺磁胶体的表征实验：在统计量比传统方法少约两个数量级的情况下，实现了对胶体磁矩更高精度的测量。利用这一新方法，研究团队进一步提出了针对特定目标结构逆向设计相互作用势的思路，并首次找到了可自组装出二维十二重对称准晶的相互作用势。

这种既能高效测量，又能逆向设计各项异性相互作用的方法为软物质体系的表征与调控提供了新途径。该成果以“Interaction Potential between Anisotropic Particles: From Measurements to Tailored Design”为题发表于《Physical Review Letters》。论文的第一作者和通讯作者为物理所博士后夏一鸣（已出站），陈科研究员和杨明成研究员为共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金项目（12174434、T2325027、12274448）资助。