賓夕法尼亞大學和密歇根大學的一組研究人員開發(fā)了使用納米晶體的困難組合設計新材料的藍圖。這項工作可能會改進已經(jīng)用于顯示器、醫(yī)學成像和診??斷的納米晶體，并使新材料具有以前不可能的特性。

研究人員可以通過將不同成分、大小和形狀的納米晶體組合在一起，制造出具有新的有趣特性的材料。挑戰(zhàn)在于以有組織的方式做到這一點?，F(xiàn)在，賓夕法尼亞大學和 UM 團隊制定了一項策略，探索可用的納米粒子并找出如何將它們粘在一起。

“這是‘喜歡就喜歡’的問題之一，”最近的博士說。研究生 Katherine Elbert，她在 Chris Murray 的實驗室工作時領導了這項研究，Chris Murray 是 Penn Integrates Knowledge (PIK)材料科學與工程教授。

這種趨勢意味著不同種類的納米晶體通常會相互分離，形成無序的斑點，而不是整合的有序固體。

“在這里，我們正試圖克服這一障礙，并制造出納米晶體與其相鄰晶體精確耦合以混合其特性的材料，”埃爾伯特說。

密歇根大學約翰·W·卡恩杰出大學工程學教授 Sharon Glotzer 小組的計算機建模展示了一種繞過這一障礙的方法，即在納米粒子上涂上改變其形狀的分子(就相鄰的納米粒子而言)。

當研究人員遵循通過計算機模擬發(fā)現(xiàn)的條件時，碲化鉛立方體和氟化鑭三角形在實驗室中自組裝成網(wǎng)格。這項技術可以幫助實現(xiàn)具有新特性的新型材料。電子顯微鏡圖像上的比例尺是 100 納米。圖片來源：賓夕法尼亞大學默里實驗室

“我們可以利用這些細微的變化來驅(qū)動組裝，而不是分離，”密歇根大學化學工程研究員 Thi Vo 說。

該研究領域面臨的最大挑戰(zhàn)之一是納米晶體的數(shù)量和類型——擁有大量具有不同化學式、大小和形狀的納米晶體庫。

“將每塊‘磚塊’放在正確的位置是不可逾越的，”默里說。“但如果你能找到大自然想要組裝納米晶體的規(guī)則，并且你知道如何優(yōu)化條件和塊的精確設計，你現(xiàn)在就有了制造不同類別材料的藍圖。”

Glotzer 的小組梳理了 Murray 小組可以制造的粒子庫，模擬納米晶體對之間的相互作用，以了解它們?nèi)绾螌⒆约航M裝成不同的所需結構。計算研究為實驗室的后續(xù)實驗推薦了尺寸、形狀、材料類型和化學環(huán)境。

在這項研究中，研究人員專注于兩類具有截然不同的成分、尺寸和結構的納米晶體——一類具有有趣的光學特性，另一類具有有用的電特性。通常，他們不喜歡混合。但如果他們這樣做了，我們就有可能將它們結合起來，制造出能夠更有效地將紅外光轉化為電能的太陽能電池，以及其他可能性。

當該團隊用這些涂層分子精確控制納米晶體的表面尺寸和形狀，使正確的晶體組合相互吸引時，他們就能夠創(chuàng)造出集成結構。這些結果只需稍作調(diào)整即可應用于其他類型的材料。

“通過構建納米級組件并在通用條件下組織它們，我們可以獲得不共存或極難結合的材料特性?，F(xiàn)在，我們有一種策略可以讓納米晶體耦合和重疊，”默里說。

Science Advances 上的論文標題為“用于共組裝的各向異性納米晶體形狀和配體設計”。

標簽： 納米工程