賓夕法尼亞大學(xué)和密歇根大學(xué)的一組研究人員開發(fā)了使用納米晶體的困難組合設(shè)計(jì)新材料的藍(lán)圖。這項(xiàng)工作可能會(huì)改進(jìn)已經(jīng)用于顯示器、醫(yī)學(xué)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(guò)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(diǎn)?，F(xiàn)在，賓夕法尼亞大學(xué)和 UM 團(tuán)隊(duì)制定了一項(xiàng)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(wèn)題之一，”最近的博士說(shuō)。研究生 Katherine Elbert，她在 Chris Murray 的實(shí)驗(yàn)室工作時(shí)領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究，Chris Murray 是 Penn Integrates Knowledge (PIK)材料科學(xué)與工程教授。

這種趨勢(shì)意味著不同種類的納米晶體通常會(huì)相互分離，形成無(wú)序的斑點(diǎn)，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(shuō)。

密歇根大學(xué)約翰·W·卡恩杰出大學(xué)工程學(xué)教授 Sharon Glotzer 小組的計(jì)算機(jī)建模展示了一種繞過(guò)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(dāng)研究人員遵循通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬發(fā)現(xiàn)的條件時(shí)，碲化鉛立方體和氟化鑭三角形在實(shí)驗(yàn)室中自組裝成網(wǎng)格。這項(xiàng)技術(shù)可以幫助實(shí)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(lái)源：賓夕法尼亞大學(xué)默里實(shí)驗(yàn)室

“我們可以利用這些細(xì)微的變化來(lái)驅(qū)動(dòng)組裝，而不是分離，”密歇根大學(xué)化學(xué)工程研究員 Thi Vo 說(shuō)。

該研究領(lǐng)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(xué)式、大小和形狀的納米晶體庫(kù)。

“將每塊‘磚塊’放在正確的位置是不可逾越的，”默里說(shuō)。“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(shè)計(jì)，你現(xiàn)在就有了制造不同類別材料的藍(lán)圖。”

Glotzer 的小組梳理了 Murray 小組可以制造的粒子庫(kù)，模擬納米晶體對(duì)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(jié)構(gòu)。計(jì)算研究為實(shí)驗(yàn)室的后續(xù)實(shí)驗(yàn)推薦了尺寸、形狀、材料類型和化學(xué)環(huán)境。

在這項(xiàng)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(jié)構(gòu)的納米晶體——一類具有有趣的光學(xué)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(jié)合起來(lái)，制造出能夠更有效地將紅外光轉(zhuǎn)化為電能的太陽(yáng)能電池，以及其他可能性。

當(dāng)該團(tuán)隊(duì)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(shí)，他們就能夠創(chuàng)造出集成結(jié)構(gòu)。這些結(jié)果只需稍作調(diào)整即可應(yīng)用于其他類型的材料。

“通過(guò)構(gòu)建納米級(jí)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(jié)合的材料特性。現(xiàn)在，我們有一種策略可以讓納米晶體耦合和重疊，”默里說(shuō)。

Science Advances 上的論文標(biāo)題為“用于共組裝的各向異性納米晶體形狀和配體設(shè)計(jì)”。

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