纳米碳材料模拟组的 Yoshiyuki Miyamoto（组长）和非平衡材料模拟组的 Takehide Miyazaki（组长）、日本国立先进工业科学技术研究院 (AIST) 纳米系统研究所（所长：Tomohiko Yamaguchi；所长：Ryoji Chubachi）与四川大学（中国）的张宏（教授）和 Angel Rubio 合作西班牙巴斯克大学教授通过数值模拟预测，通过调整波长（与其能量相关）的光照射，可以增强非化学键合的分子和原子之间的弱内聚力。增强内聚力的原因是分子/原子上感应振荡的正电荷和负电荷，从而产生电吸引力。目前研究中预测的现象有望应用于由弱内聚力构建的结构的形成技术，例如用于有机器件的分子晶体。

这项研究的详细信息将发表在应用物理快报，美国物理研究所于 2014 年 5 月 20 日（美国东部时间）出版的科学期刊。

（图）：分子通过光诱导偶极子振荡相互吸引的示意图 随着时间的推移，分子彼此越来越接近（从上到下）。 δ+和δ-分别代表正负微小电荷。

由有机材料制成的器件因其具有比半导体更低的生产成本等优点而受到广泛关注。高器件性能需要高质量的分子晶体形成技术。因此，控制分子间相互作用是实现这一目的的一项关键技术。

内聚力作用在非化学键合的分子/原子之间。这种力被称为范德华力，它作为壁虎在墙壁上爬行的吸附力的来源以及石墨等层状材料的层间相互作用的来源而广受欢迎。范德华力作为用于有机器件的分子晶体的内聚力而受到高度关注。光镊通过光来操纵分子。然而，使用光镊很难对单个分子和原子施加力。

AIST 的目标是开发用于构建由具有良好控制的纳米级结构的材料组成的复杂系统的技术。通过基于第一原理计算进行模拟，AIST 在实际实验之前提出了几种制造技术。尤其是利用电子激励进行制造的模拟方案是世界研究机构中独一无二的技术。

当前的研究旨在通过光增强范德华力来建立分子晶体的形成过程。作为研究的第一步，选择具有相似内聚力的简单物体来通过模拟检查光诱导的力强化。为了执行模拟所需的数值计算，AIST 引入了大规模并行计算系统，即AIST-超级云；第二代，已使用。

研究人员对氦 (He) 进行了模拟，氦是最简单的化学惰性元素。 He 的电子可以改变它们的轨道，即电子激发，具有一定的能量。当He受到光子能量（波长）非常接近激发能的光照射时，He原子的电子开始振荡以试图改变其轨道，并且振荡的幅度随着连续照射而逐渐增大。这与摆动周期相同的外力作用下摆动的钟摆的振幅增加类似。如图1所示，在电荷分布振荡幅度达到最大的时刻，两个He原子之间存在正电荷和负电荷，导致原子之间产生吸引力，即偶极子-偶极子吸引力变化。电荷分布随着时间的推移而变化，有时正负电荷的位置会颠倒，但电荷分布始终保持不变，从而使两个He原子相互吸引。因此，偶极子-偶极子吸引力始终保持不变。

图1：光子能量为20 eV的光照射下两个He原子周围的电荷分布轮廓 偶极子的极性相同。 δ+ 和 δ- 表示微小的正电荷和负电荷。

如图2所示，与没有光照射的情况相比，通过光照射，两个He原子之间的距离显着减小。这描绘了光照射下的持续吸引力。此外，减少的程度取决于光子能量，从该图中可以看出，光子能量为 20 eV 的光具有最大吸引力。

图2：不同光子能量的光照射下He-He距离的时间演化

通过分析两个He原子之间距离的时间演化，发现吸引力比没有光的情况增加了7 pN（“p”表示万亿分之一，10^-12)。尽管这个量对应于弱力，是通过普通化学键连接原子的力的千分之一，但这足以操纵非化学键合的原子/分子。通过模拟获得的这些基本结果还表明光诱导增强了分子晶体中分子之间的内聚力。

研究人员将研究更复杂的凝聚系统，以通过光增强范德华力的潜力，并将利用所获得的知识来开发可用于设备的分子晶体的受控制造技术。