I en inte så avlägsen framtid, forskare kanske kan bygga atomer enligt dina specifikationer med ett knapptryck. Det är fortfarande science fiction, men ett team vid University of Colorado Boulder rapporterar att det närmar sig när det gäller att kontrollera och montera partiklar som kallas "stora atomer".

Den nya forskningen, som kommer att publiceras den 29 maj i Natur , centrerar kring kolloidala partiklar som, när det blandas med flytande kristaller, fungerar mycket som elementen i det periodiska systemet. Dessa partiklar ger fysiker möjlighet att undersöka hur väte, helium och andra atomer beter sig och interagerar utan att behöva zooma ner till atomnivå.

Genom att exponera de stora atomerna för olika typer av ljus, till exempel, teamet visade att det kunde vända sina laddningar med en knapptryckning. Med andra ord, partiklar som en gång attraherade varandra stöter nu bort varandra.

"Eftersom vi har så mycket kontroll, vi har förmågan att designa hur dessa partiklar sätts ihop och vilka egenskaper de har, sade Ivan Smalyukh, professor vid institutionen för fysik. "Det är som en designerverktygslåda."

Den designerverktygslådan börjar med en enkel ingrediens:flytande kristaller.

Dessa material, som ger skarpa bilder på din smartphoneskärm, är ofta uppbyggda av molekyler i snygga arrangemang, såsom stavar som alla pekar i en enda riktning.

Under det senaste decenniet eller så, dock, forskare har märkt något konstigt med dessa vätskeliknande material. Om du tappar partiklar, såsom mikroskopiska kiseldioxidkorn, till flytande kristaller, de en gång så ordnade molekylerna inuti kommer att böjas och klämmas för att ge plats åt de nya tillskotten – lite som att trycka in en fotbollslinjeman i en redan fullsatt tunnelbanevagn.

Och, anmärkningsvärt, hur dessa flytande kristaller böjs kan vara matematiskt analoga med strukturerna hos atomernas elektronskal.

"Hur de flytande kristallerna böjer sig runt partiklarna är mycket viktigt, sade Smalyukh, även på materialvetenskapsprogrammet och institutionen för el, Dator, och energiteknik. "När du stör dessa molekyler, det kostar energi, och den energin driver intressanta interaktioner."

Böj flytande kristallmolekyler på precis rätt sätt och kiseldioxidbitarna klirrar in i varandra som om de vore två atomer som binder samman, men mycket större.

Problemet, Smalyukh sa, är det tills nyligen, forskare hade mycket liten kontroll över dessa stora atomers interaktioner. Hans grupp hade lösningen.

För att göra sin unika kolloidala blandning, Smalyukh och hans kollegor använde bitar av kiseldioxid i form av hexagoner för sina stora atomer. Men innan du ploppar dessa partiklar i flytande kristaller, forskarna belade dem med en typ av färgämne som roterar när de utsätts för olika typer av ljus.

När forskarna exponerade sin blandning för en viss typ av blått ljus, de flytande kristallmolekylerna skulle böja sig runt hexagonerna efter ett mönster. Använd en annan typ av ljus och de skulle böjas på ett helt annat sätt.

Gruppen rapporterade att de kunde byta en stor atoms effektiva laddning från positiv till negativ och tillbaka igen på ett infall.

"Det är nästan som att du kan skina ljus och förvandla materia till antimateria, sade Ye Yuan, en postdoktor i fysik och huvudförfattare till den nya studien. Andra medförfattare var postdoktorerna Qingkun Liu och Bohdan Senyuk.

Och, Yuan sa, teamet kunde kontrollera dessa interaktioner med hjälp av en vanlig lampa med ett filter på – inga kraftfulla lasrar krävdes.

"I princip, vi skulle kunna ha en bra solig dag i Colorado och ta med våra prover utanför och se dessa interaktioner, sa Yuan.

Vilket gör honom exalterad över vad laget skulle kunna bygga med dessa stora atomer. Forskarna tror att med rätt justeringar, de kunde använda sin metod för att sätta ihop partiklar på unika sätt, skapa falska atomära strukturer som inte finns i naturen – lös sedan upp dessa strukturer lika lätt.

"På vissa sätt, vi måste fortfarande ta reda på vad vi kan göra med det här, " sa Smalyukh.

Bygga ditt eget periodiska system från grunden? Håll ögonen öppna.