複雑性の定量化が新たなナノ材料特性を導く(Complexity isn’t subjective. The right amount results in new nanomaterial properties)

2026-05-21 ミシガン大学

University of Michigan の研究チームは、ナノ材料における「複雑性」が材料特性を決定する重要因子であり、適切な複雑性の導入によって新しい機能を発現できることを示した。研究では、複数元素を組み合わせたナノ構造材料を解析し、単純すぎても複雑すぎても性能が低下する一方、特定範囲の構造複雑性が電子特性や安定性、触媒性能を最適化することを明らかにした。研究者らは、複雑性を定量化する新しい指標を導入し、材料設計において経験則に頼らず最適構造を予測できる可能性を示した。この成果は、高性能触媒、電子材料、エネルギー変換材料など次世代ナノ材料開発に応用できると期待されている。研究は、材料科学における「複雑性」の概念を客観的かつ工学的に扱える新たな枠組みを提供するものとして注目されている。

<関連情報>

グラフ理論を用いたナノ粒子集合体における集団ダイナミクスと複雑性の解読 Decoding collective dynamics and complexity in nanoparticle assemblies using graph theory

Jonas Hallstrom, Puquan Pan, Jayson Sia, Sangwok Bae, […] , and Nicholas A. Kotov
Science  Published:14 May 2026
DOI:https://doi.org/10.1126/science.aeb5134

複雑性の定量化が新たなナノ材料特性を導く(Complexity isn’t subjective. The right amount results in new nanomaterial properties)
Graph curvature measures quantify disorder and complexity for self-assembled particle systems.
NP assemblies can be viewed as a series of graphs or networks in which nodes represent NPs and edges represent strong interparticle interactions. ORC and AFRC can be found for every edge in these graphs, quantifying the structural order and complexity in the local area around those edges. Scale bars, 200 nm.

Abstract

Being intermediate in scale between molecules and colloids, nanoparticles combine characteristics of both. The structure of their self-assembled states combining order and disorder is difficult to quantify using traditional symmetry-based descriptors. Here, we applied graph theory (GT) to analyze assemblies of 400 to 10,000 nanoparticles across three material systems. We show that GT metrics, augmented Forman-Ricci curvature (AFRC) and Ollivier-Ricci curvature (ORC), capture local and global structural transitions from small clusters to extended networks. AFRC reflects the energetic state of the assembly, whereas ORC quantifies structural complexity and reveals a “Goldilocks” regime that maximizes plasmonic response. The generality of this approach is demonstrated for gold nanocubes, gold nanoprisms, and indium tin oxide nanospheres, providing a unified framework for describing and optimizing complex nanoparticle assemblies.

1701物理及び化学
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