在颠覆材料设计的研究中，研究人员通过计算机模拟证明，可以设计出一种晶体，并将其反向加工成自组装的粒子形状。这可能会导致一种新型材料的出现，比如可以产生永不褪色的晶体涂层。密歇根大学化学工程系Anthony C. Lembke系主任，《科学进展》高级作者Sharon Glotzer说：这些结果转变了材料设计和我们对熵的理解，具有真正新特性的材料通常是偶然发现。例如在2004年用玻璃纸带和一块石墨做了一个有趣的实验，发现了石墨烯。
石墨烯因其强度、灵活性、透明度和导电性结合而成为获得诺贝尔奖的神奇材料。材料科学家们不愿坐等意外发现，而是希望能创造出一种神奇的材料，然后弄清楚如何制造它。这个团队称之为“数字炼金术”的正是这种设计材料的“逆向”方法——从期望的特性逆向工作。研究论文的通讯作者、加拿大安大略省金斯顿皇后大学物理学助理教授格雷格·范·安德斯(Greg van Anders)说：它真的让我们能够专注于研究结果，并利用所知道的东西，找到构建这种材料的起点。
Glotzer是研究纳米粒子如何通过熵的惊人机制自组装的领导者，虽然熵通常被认为是无序的一种量度，但Glotzer团队利用熵从粒子中创造出有序的晶体。能这样做是因为熵并不是无序的，而是系统自由程度的一种度量。如果粒子有很大空间，它们就会随机地分布在空间中，当单个粒子有最大的自由时，粒子集合就有最大的自由。但是在Glotzer关注的系统中，粒子没有太多的空间。如果方向是随机的，大多数会被困住。
如果粒子组织成晶体结构，则粒子系统是最自由的。物理学定律是这样，粒子也要服从。根据形状，研究人员展示了如何得到各种有趣的晶体：一些类似于盐晶体或金属中的原子晶格，还有一些显然是新的(如“准晶体”，没有重复的模式)。在过去，通常是通过选择形状并模拟其所形成的晶体来实现这一目标。研究花了数年时间，发现了使特定形状的粒子能够形成特定晶体设计规则。现在，已经把它转过来了，这样就可以把一个晶体结构插入到新程序中。
这就给了一个粒子形状来建造，通过将问题从“这个形状会产生什么晶体？”重新组织为“这个形状会产生我的晶体吗？”研究小组在研究中探索了超过1亿种不同的形状。在普通电脑上，一天就能研究出比过去十年所报道更多不同种类的粒子。研究使用该软件来识别粒子形状，以构建四个常见的晶格(简单立方、体心立方、面心立方和金刚石)和两个更复杂的晶格(-锰和-钨)。当这些工作完成后，尝试了一种自然界不为人知的晶格，这是研究人员的设计：一种被称为“六边形紧密排列”的晶体变体。
该团队预计，实验纳米科学家将能够通过制造一批形状正确的粒子，并将它们添加到液体中，从而制造出这些晶体。在液体中，纳米颗粒会自行组装。只要它们继续受到限制，就会保持结构。这可能会导致人造结构色彩的进步，就像蝴蝶翅膀通过与光相互作用产生明亮的色彩一样。与色素不同，结构颜色不会褪色，这种颜色也可以通过一种机制来开启和关闭，要么限制粒子，使它们形成晶体，要么给它们留出空间，使晶体分裂。
