近日，我院辛洪宝、史阳等发现了介观尺度下微粒的轨道化行为，相关研究成果以“Spontaneous Particle Ordering, Sorting, and Assembly on Soap Films”为题发表在国际著名学术期刊 Nano Letters（论文链接）。纳米光子学研究院史阳讲师为论文第一作者，李宝军、辛洪宝教授和哈佛大学 Luke. P. Lee 教授为论文共同通讯作者。
物体的自发轨道化运行现象广泛存在于极小的微观尺度原子系统和极大的宇观尺度行星系统中，但在介观尺度下的自发轨道化现象不易发现。肥皂膜因其形态多变和色彩绚丽的特性，在介观尺度下包含了复杂的物理规律与微粒动力学演化机制。在介观尺度下，微粒与肥皂膜间的相互作用通常被认为是复杂且难以预测的。过去的研究多聚焦于整个肥皂膜上微粒群体的无序行为，且往往需要借助外部工具或能源来控制粒子运动，从而掩盖了介观尺度下肥皂膜与微粒的内在相互作用。
通过长期的实验研究，他们首次观察到在没有任何外部能量干预的情况下，微粒在具有厚度梯度的肥皂膜上能自发沿着特定轨道运动。通过仿真计算和理论分析，他们揭示了这种自发有序轨道化行为是肥皂膜的界面张力对特殊润湿状态微粒的严格约束所致。研究还发现，不同大小和亲水性的微粒能自发地组织成离散的独立路径，且进行肥皂膜上不同微粒的自分选。此外，随着肥皂膜的进一步演化，轨道上微粒的相互吸引力会导致其形成低维微粒组织，如一维链和二维阵列。这一发现不仅揭示了介观尺度下微粒的自发轨道化行为，也为无需外接能量的微粒操控、分选和有序组装开辟了新的途径。
