众所周知，液晶和聚合物等软材料会由组成分子的聚集体自发形成复杂的有序结构。阐明从一种有序结构到另一种有序结构的结构转变机制不仅是物理和数学等基础科学中的一个有趣问题，而且从材料设计和加工等应用角度来看也是一个重要问题。然而，在软材料的有序结构中，结构的层次性质，即复杂的单元结构聚集在一起形成更复杂的高阶结构，使得阐明结构转变的详细机制变得困难。而且，要准确、客观地确定“这个地方的结构（当地秩序结构）是什么？”并不容易。
九州大学科学研究生院福田淳一教授和米乐m6官方网站功能材料计算设计研究中心高级研究员高桥和义（兼日本科学技术振兴机构 (JST) 的 PRESTO 研究员）致力于通过结合连续介质模拟来解决结构转变的难题，该连续介质模拟专注于分子作为聚集体表现出的顺序和局部确定基于机器学习的有序结构。具体来说，它是液晶所表现出的复杂的三维有序结构。胆甾型蓝相(*2)的两种结构（BPI、BPII）之间的转变。实验表明，从BPII到BPI的结构转变产生了类似于金属晶体马氏体转变产生的孪晶结构，但结构转变的详细机制尚未阐明。根据这项研究，从BPII到BPI的结构转变包含在BPII中线路缺陷(*3) 连接点被切断时开始的。我们还揭示了孪生结构是通过首先形成具有一定方向的 BPI 小区域，然后形成具有不同方向的 BPI 相邻区域来创建的。
使用机器学习的连续介质模拟和结构确定之间的协作有望阐明结构形成和转变的机制，不仅适用于本研究中解决的液晶问题，而且适用于各种软材料和其他材料中出现的复杂有序结构。
此研究成果发表在美国国际学术期刊《
美利坚合众国国家科学院院刊 (PNAS)'' 的在线版本中发布。
图：结构转型取得进展。灰色为BPII，其他颜色为BPI（颜色的差异是顺序方向的差异）
研究人员的话：
使用机器学习的分析如何清楚地显示液晶复杂的结构转变如何进展，给我留下了深刻的印象。我们这次使用的方法可以应用于广泛的问题，我们希望通过针对各种材料（而不仅仅是液晶）的结构转变机制来继续我们的研究。
液晶、聚合物、胶体和生物材料等软材料不仅在化学和工程学领域引起人们的兴趣，而且在物理、生物学和数学等广泛的学术领域也引起人们的兴趣。其特征之一是其组成分子自发地形成各种有序结构作为集合体。如果可以赋予结构有用的功能，则可以利用自发性来生产能耗更少的功能材料。此外，由于可以通过有效地利用软材料的“柔软性”改变其结构来控制软材料的性能，因此大量的研究集中在软材料的有序结构及其动态性能上。
软材料形成的有序结构极其复杂，类型多种多样。通过改变温度等条件，可以看到一种有序结构转变为另一种有序结构（结构转变）。阐明这种结构转变的机制不仅是基础科学中一个有趣的问题，而且从材料设计和加工等应用的角度来看也很重要，因为它有助于有效生成所需结构。然而，阐明复杂有序结构之间的转变机制绝非易事。不仅由许多分子聚集形成的单元结构本身变得复杂，而且由聚集体形成的高阶结构也可能是不平凡的，不同于单元结构的简单重复。这种结构层次使得结构转变在学术上变得有趣，但同时也使得阐明其机制变得困难。此外，如果单元结构本身很复杂，则很难准确且客观地确定该位置处的结构（局部有序结构）是什么。如果没有这些基本信息，就很难研究结构变化的演变。
这项研究通过将连续介质模拟（稍后描述）的计算方法与近年来迅速发展的机器学习结构分析相结合，解决了软材料中的有序结构转变问题，该问题尽管具有学术和实际重要性，但很难解决。
这项研究的目标是一种称为胆甾蓝相的结构，其中液晶表现出三维有序。在胆甾型蓝相中，已知称为 BPI 和 BPII 的蓝相具有立方对称性。两者都具有线缺陷，这些线缺陷表现为液晶取向顺序（由液晶分子团的取向表示的顺序）的特征。在BPI中，线缺陷是笔直的并且彼此不相交，而在BPII中，四个线缺陷形成一个连接（图1）。先前的实验研究表明，当温度从 BPII 晶胞完全排列的结构降低时，结构转变为 BPI 会产生类似于金属马氏体转变产生的孪晶结构（图 1）。然而，这些发现是通过散射实验获得的，BPI在真实空间中表现出的孪生结构的细节及其动态形成机制尚未阐明。这种向孪生结构的转变是由液晶分子的集体运动引起的，并且基于比马氏体转变中金属原子的运动复杂得多的过程。
图 1 上图：胆甾型蓝相 BPI（左）和 BPII（右）的结构。显示了晶胞（黑框）和线缺陷（黄色）的排列。下图：BPI形成的孪生结构。两个 BPI 晶格在虚线（双平面）处连接。
对于金属的马氏体转变，我们应该关注单个原子的行为，但对于 BPI 和 BPII，仅使用晶胞107由于它包含许多单独的液晶分子并聚集形成双晶结构，因此专注于单独的分子是不现实的。因此，在本研究中，我们使用一种称为“连续介质模拟”的方法研究了BPII结构转变为BPI孪生结构的过程，该方法侧重于定量表达分子作为一个群体所表现出的顺序的顺序变量，而不是单个液晶分子的行为。此外，由于热波动是驱动结构变化的因素，因此我们将随机形式的热波动纳入到表示液晶取向顺序的顺序变量的时间变化的方程中。
从BPII到BPI的结构转变是一个非常复杂的过程，客观地获得诸如“该位置的有序结构（局部有序结构）是BPI还是BPII？”以及“哪些区域仍然是BPII或已经过渡到BPI”等基本信息并不容易。因此，在本研究中，分子组装结构学习包MALIO（*4，图2）以确定局部有序结构。 MALIO发现的局部顺序变量使得可以确定该位置的线路缺陷属于BPI还是BPII。
图2 分子组装结构学习包MALIO概念图
我们发现从 BPII 到 BPI 的结构转变始于由四个线缺陷组成的结的断裂，从而导致产生一小块 BPI 区域（图 3）。在 BPI 的这个小区域中，晶胞的方向几乎相同，但随着它的生长，由具有不同方向的晶胞组成的 BPI 区域会彼此相邻。我们发现，向 BPI 的结构转变是由于这些 BPI 区域的单向生长和由不同方向的晶胞组成的 BPI 区域的交替连续形成相结合而进行的（图 3）。研究还发现，由该过程产生的 BPI 区域的边界几乎是线性的，并且在这些边界处，具有不同晶格取向的 BPI 区域形成孪晶结构。
图3上：通过模拟获得的由四个线缺陷（黄色）组成的结（左；两图中视角发生变化），以及结被切割后的状态（右）。红线强调了交汇处切割的方向。下图：从 BPII 到 BPI 的结构转型的时间过程。灰线是构成 BPII 的线缺陷。三种颜色的线是构成BPI的线缺陷，不同的颜色代表晶胞的不同方向。
胆甾型蓝相的研究正在积极进行，重点是其作为光学功能材料的用途，结构转变机制的阐明有望有助于提高胆甾型蓝相作为光学材料的性能并开发新的功能。此外，本研究提出的方法结合了连续介质模拟和机器学习的结构确定，具有很强的通用性，预计不仅适用于本研究讨论的液晶的结构转变，而且适用于阐明各种软材料和其他材料所表现出的各种有序结构的形成和转变机制，特别是层次结构的形成和转变。未来我想对各种材料的结构形成和转变机制进行研究。
这项研究得到了 JSPS KAKENHI (JP21H01049)、材料和器件领域联合研究中心以及日本科学技术振兴机构 (JST) 战略基础研究促进项目 PRESTO (JPMJPR22O6) 的支持。
已出版的杂志：美利坚合众国国家科学院院刊 (PNAS)
标题：直接模拟和机器学习结构识别揭示软马氏体相变和孪生动力学
作者姓名：Jun-ichi Fukuda 和 Kazuaki Z Takahashi
DOI：101073/pnas2412476121