科學家設計出3D生長的納米材料，可以加速智能建筑和機器人新技術的生產

來源：江蘇激光聯(lián)盟

結晶是在大多數物質類別中都可以看到的普遍過程，是自然界中發(fā)現(xiàn)的最基本的過程之一，它賦予礦物、寶石、金屬甚至蛋白質結構。納米粒子 (nanoparticle, NP) 是可視化和理解結晶過程的理想系統(tǒng)，并且可以作為新型材料的構建塊。

在過去的幾十年里，科學家們一直試圖揭示天然晶體如何自組裝和生長的。他們的開創(chuàng)性工作帶來了一些令人興奮的新技術，從彩色 QLED 電視顯示器背后的量子點到類肽 —— 一種蛋白質模擬物這激發(fā)了數十項生物技術突破。

現(xiàn)在，由能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（伯克利實驗室）和加州大學伯克利分校組成的一個研究小組開發(fā)出一種納米顆粒復合材料，可以長成 3D 晶體�？茖W家們表示，這種新材料——他們稱之為 3D PGNP（聚合物接枝納米粒子）晶體——可能會導致 3D 生長而不是 3D 打印的新技術。該研究成果2021年5月13日發(fā)表在 nature communication 研究中。

▲3D 生長的 100-200 納米晶體圓盤的 STEM 斷層掃描圖像。圖片來源：伯克利實驗室

來自伯克利實驗室材料科學部，加州大學伯克利分�；瘜W與材料科學與工程教授 Ting Xu 表示，他們已經展示了一種新的杠桿，可以說是將晶體材料轉變?yōu)閺秃喜牧匣蚪Y構化材料，適用于從智能建筑的納米級光子學到機器人的執(zhí)行器等應用。

同時，他們的新方法符合大規(guī)模制造的需求。該系統(tǒng)本質上是納米粒子和聚合物的混合物——類似于人們用來制造飛機機翼或汽車保險杠的成分。但更重要的是有趣的是，我們沒想到我們的方法如此簡單和快速，”徐說。

該研究第一作者 Yiwen Qian 是加州大學伯克利分校徐群的博士研究員，在一次普通的實驗室實驗中偶然發(fā)現(xiàn)了 3D PGNP 納米晶體。

幾天前，她將甲苯溶劑和用聚苯乙烯 (Au-PS) 接枝的金納米粒子的溶液留在實驗室柜臺的離心管中。當她在透射電子顯微鏡 (TEM) 下觀察樣品時，她發(fā)現(xiàn)了一些奇怪的東西�！凹{米粒子迅速結晶。這不是正常的事情，”她說。

具有不同體積分數的 PP/PE 的自組裝 (5.3k) Au-PS0.60 NP 的 TEM 圖像。∅PP/PE～0.01%、0.05% 和 0.1% 的比例尺為 50 nm，0.5% 的比例尺為 200 nm

為了進行調查，Ting Xu 與伯克利實驗室分子鑄造廠的科學家 Peter Ercius 以及伯明翰大學的 Wolfgang Theis 和 Alessandra DaSilva 合作，他們都因其在 STEM（掃描透射電子顯微鏡）斷層掃描(一種電子顯微鏡技術，使用高度聚焦的電子束以高分辨率重建材料的3D結構圖像)方面的專業(yè)知識而廣受贊譽。

使用分子鑄造廠（STEM 斷層掃描領域世界領先的用戶設施）的顯微鏡，研究人員首先捕獲了 Au-PS 納米粒子的晶體 3D 圖案。

▲以綠色和紫色繪制的兩個基本平面層，表明每個平面中都有扭曲的六邊形晶格。層之間的配準主要是橋位，如右側放大圖所示。比例尺為 100 和 25 nm。

為了尋找更多線索，Ting Xu 和 Yiwen Qian 隨后在加州大學伯克利分校進行了核磁共振波譜實驗，在那里她們發(fā)現(xiàn)離心管內襯中的微量聚烯烴分子不知何故進入了混合物中。聚烯烴，包括聚乙烯和聚丙烯，是世界上最普遍的塑料之一。Yiwen Qian 重復了這個實驗，在 Au-PS 溶液中加入了更多的聚烯烴——這一次，他們在幾分鐘內得到了更大的 3D PGNP 晶體。

Ting Xu 很驚訝，當時覺得不應該發(fā)生得這么快。在她之前的觀念中納米顆粒的晶體通常需要數天才能在實驗室中生長。隨后的實驗表明，隨著甲苯溶劑在室溫下迅速蒸發(fā)，聚烯烴有助于 Au-PS 納米粒子形成 3D PGNP 晶體，并“成長為他們最喜歡的晶體結構”。

在另一個關鍵實驗中，研究人員設計了一個自組裝的 100-200 納米晶體圓盤，看起來像金字塔的底部。研究人員從納米級控制物質的驚人演示中了解到，3D PGNP 晶體的大小和形狀是由聚烯烴在溶液中沉淀時的動能驅動的。

▲基板上受控的 PGNP 結晶

總而言之，這些發(fā)現(xiàn)提供了一個模型，用于展示如何在單個粒子水平上控制晶體結構。他們的發(fā)現(xiàn)令人興奮，因為它提供了對成核早期晶體如何形成的新見解。

Ting Xu 表示，這種新方法可以讓研究人員在納米級（十億分之一米）微調電子和光學設備方面獲得前所未有的控制權。并且這種納米粒子級精度可以加快生產速度并消除制造錯誤。

展望未來，Yiwen Qian 想利用他們的新技術來探測不同晶體結構的韌性——甚至可能制造出六方晶體。

Ting Xu 計劃使用他們的技術來制造更大的設備，例如晶體管或從混合材料中 3D打印的納米粒子。