Nature：金字塔“积木块”搭建的纳米“超结构”- 大数跨境

两江科技评论

2018-10-12

导读：美国布朗大学助理教授、中国科学家陈鸥利用金字塔形纳米“积木块”模型搭建出了百微米量级的超结构“大厦”。研究人员已经搭建出一维的手性螺旋线、二维的复杂超晶格和三维团簇超结构单晶，其中三维结构是世界上目前

导读

近日，美国布朗大学助理教授、中国科学家陈鸥等人利用金字塔形的纳米“积木块”模型，搭建出了百微米量级的超结构“大厦”：包括一维的手性螺旋线、二维的复杂超晶格和三维团簇超结构单晶，其中三维结构是世界上目前使用纳米颗粒堆积出的最复杂的超结构（superstructure）。研究团队使用纳米颗粒自组装技术中的溶液蒸发固化法，实现了超结构“大厦”的一次成型，标志着纳米自组装技术研究迈出了重要一步。相关工作以“Superstructures generated from truncated tetrahedral quantum dots”为题，发表在《Nature》上。

背景介绍

近年来，纳米科学与技术研究引起世界各国研究学者的极大关注。这主要是因为纳米材料具有许多有别于宏观物质、微观粒子的奇特效应，如量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等。这些新颖的特性为人类自主探索、设计和开发各类新型功能材料和器件开辟了一条全新的途径。通常，人们希望纳米粒子的尺寸和形状是可控并且稳定的，而只有实现对纳米粒子的有效控制和组装，才可能进一步将其应用于微电子器件等高科技产品中。

目前，科学界在纳米颗粒材料的研究已经取得了一批重大突破，但如何把纳米颗粒直接转化为宏观的实用新材料，依然缺少可靠的办法。纳米自组装技术是连接纳米级颗粒和宏观实用新材料的一种重要途径。从纯数学研究到工业设计，三维形状的自组装一直是科学研究中的难点，甚至最简单的柏拉图形状——四面体结构——被组装在一个预设的空间中时，也会变得复杂，因为它不能在欧几里德几何的三维（3D）空间中实现密堆平铺。随后，研究人员提出四面体可能具有任何凸形结构的最低堆积密度之后，由它们致密排列成的特殊三维结构就引起了科研人员的极大兴趣。到目前为止，在数学研究层面，四面体填充已经取得了相当大的进展，这包括通过独特的形状诱导熵相互作用（shape-induced entropic interactions）以准晶体方式（82个四面体晶胞）进行四面体组装的开创性工作。与普世的数学研究相对应，关于该领域的实验成果报道很少，尚未通过实验实现四面体组装而成的复杂超结构。

结论

研究人员通过截断四面体量子点 (Truncated Tetrahedral Quantum Dots，TTQDs)的自组装技术，获得了三个不同的超结构，包括1D手性螺旋到3D团簇超结构单晶，其中3D团簇超结构单晶结构是世界上目前使用纳米颗粒堆积出的最复杂的超结构。该研究第一次在实验上观察到了由单组分四面体组装的复杂超结构。实验中，用实空间和倒易空间中的材料表征技术，研究人员成功揭示了TTQDs的自组装形成过程。此外，他们还结合理论建模，确定了熵和焓共同诱导的特定面选择性接触，这是跨维度超结构形成的主要驱动力。

此外，通过控制纳米颗粒“积木块”的合成反应温度、溶剂、反应时间和表面修饰的分子，可以控制“积木块”之间的相吸或相斥作用。研究所使用的“积木块”是截断四面体形状的纳米颗粒，很像是去掉了尖顶的金字塔，大小在８纳米左右。接下来，采用溶液蒸发固化法，让含有这些纳米颗粒的溶液在控温、控压下蒸发干燥，其中的纳米颗粒会根据设计吸附在一起，组成百微米量级的超结构。与球形和立方体形的纳米颗粒相比，金字塔形的纳米颗粒搭建出的“超结构”可以有更复杂的晶体排列组合，这为未来的纳米组装、超材料等跨尺度研究提供了操作性极强的材料平台。