近日，复旦大学物理系/应用表面物理国家重点实验室谭鹏课题组与其合作者，在胶体体系中成功构建了一类具有可调取向构型的动态“胶体分子”团簇，并系统研究了其结构转变及生长路径的物理机制。相关研究成果以《Dynamic and asymmetric colloidal molecules》为题，于3月21日在线发表在《自然·通讯》[Nat. Commun.16, 2819, （2025）]。

   在分子体系中，原子通过共价键结合形成稳定结构，不同的轨道杂化形式决定了键角的取向及对称性。这种对称性是分子轨道波函数的内禀特性，直接影响材料的自组装及物性。然而，在介观尺度上，由于相互作用形式与分子体系的差异，如何复现类似的结构对称性，并调控组装单元的取向分布，是软物质物理和材料科学中的关键问题之一。

   已有研究表明，在球面约束下，各向同性相互作用的粒子可形成类分子的对称结构，这一问题最早可追溯至Thomson问题，即考虑N个电子在球面上的最低能量分布。研究发现，当N较小（如2、3、4...）时，电子的排列方式展现出正多面体对称性，与某些分子轨道构型相符。在此基础上，研究者们构建了微米尺度的“胶体分子”体系，即通过中心粒子和多个卫星粒子形成稳定的取向构型，使其具备类似分子构型的各向异性，从而成为复杂超结构的基本组装单元。

   然而，在实际分子体系中，键角并非固定不变，而是受到量子涨落，杂化状态，以及环境中其他原子等因素的影响，分子结构常常偏离完美的正多面体对称性，体现出非对称性。值得注意的是，在热涨落占主导的介观系统中，结构的涨落现象也广泛存在。因此，如何在介观体系中重现类似分子系统中的结构涨落，如何精准控制胶体分子的构型非对称性，并进一步揭示其统计分布规律，是当前该领域亟待解决的关键问题。

   本研究中，研究者们构建了一个基于胶体-乳液相互作用的动态胶体分子模型系统，其中卫星粒子被限制在中心粒子表面但仍具有沿球面切向的运动自由度。结合实验和分子动力学模拟，研究者们系统研究了动态胶体分子的非对称性如何随等效温度变化而演化。实验结果表明，胶体分子的非对称性并非通过突变式的一级相变产生，而是源自类液态初始态的连续演化，并最终在零温极限下收敛至稳定构型。这一过程中，球面构型熵与对应构型焓的竞争起主导作用：前者驱动取向的随机化，增强系统的构型涨落与非对称性，而后者则偏向于稳定正多面体对称性。通过调控相互作用强度与热力学能标（k_BT）的相对大小，研究者们成功实现了对胶体分子非对称性的精确调控。

图1：（a）4配位胶体分子的非对称性随卫星粒子间的排斥作用强度和作用距离改变；（b）4配位分子的角向序随着静电排斥增强，连续逼近标准对称构型；（c）胶体分子组装的动力学路径及其对应的能量图景。

   该研究揭示了动态胶体分子的非对称性来源，并阐明了球面约束条件下熵与焓之间的竞争机制。此外，研究团队建立了描述胶体分子形成与演化的动力学理论模型，为精确调控动态胶体分子的构型演化和组装路径提供了理论支持。这一工作不仅拓展了对热涨落主导下介观结构非对称性的物理认知，也为构建具有可调对称性和柔性结构的人工材料提供了新的思路与方法。

   本研究由复旦大学物理系/应用表面物理国家重点实验室谭鹏课题组主导完成。论文第一单位为复旦大学，博士后方煌、博士后高琼及硕士毕业生戎昱洁为论文的共同第一作者。谭鹏教授、聂志鸿教授、李伟教授以及东京大学 Hajime Tanaka 教授为共同通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金委员会、上海市教育委员会及日本学术振兴会的资助与支持。