科學(xué)家設(shè)計(jì)出3D生長的納米材料，可以加速智能建筑和機(jī)器人新技術(shù)的生產(chǎn)

來源：江蘇激光聯(lián)盟

結(jié)晶是在大多數(shù)物質(zhì)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(zhì)結(jié)構(gòu)。納米粒子 (nanoparticle, NP) 是可視化和理解結(jié)晶過程的理想系統(tǒng)，并且可以作為新型材料的構(gòu)建塊。

在過去的幾十年里，科學(xué)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(shù)，從彩色 QLED 電視顯示器背后的量子點(diǎn)到類肽 —— 一種蛋白質(zhì)模擬物這激發(fā)了數(shù)十項(xiàng)生物技術(shù)突破。

現(xiàn)在，由能源部勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室（伯克利實(shí)驗(yàn)室）和加州大學(xué)伯克利分校組成的一個(gè)研究小組開發(fā)出一種納米顆粒復(fù)合材料，可以長成 3D 晶體。科學(xué)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(huì)導(dǎo)致 3D 生長而不是 3D 打印的新技術(shù)。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(shí)驗(yàn)室

來自伯克利實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部，加州大學(xué)伯克利分?；瘜W(xué)與材料科學(xué)與工程教授 Ting Xu 表示，他們已經(jīng)展示了一種新的杠桿，可以說是將晶體材料轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)合材料或結(jié)構(gòu)化材料，適用于從智能建筑的納米級光子學(xué)到機(jī)器人的執(zhí)行器等應(yīng)用。

同時(shí)，他們的新方法符合大規(guī)模制造的需求。該系統(tǒng)本質(zhì)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(jī)機(jī)翼或汽車保險(xiǎn)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(xué)伯克利分校徐群的博士研究員，在一次普通的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室柜臺(tái)的離心管中。當(dāng)她在透射電子顯微鏡 (TEM) 下觀察樣品時(shí)，她發(fā)現(xiàn)了一些奇怪的東西?！凹{米粒子迅速結(jié)晶。這不是正常的事情，”她說。

具有不同體積分?jǐn)?shù)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(jìn)行調(diào)查，Ting Xu 與伯克利實(shí)驗(yàn)室分子鑄造廠的科學(xué)家 Peter Ercius 以及伯明翰大學(xué)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(shù)，使用高度聚焦的電子束以高分辨率重建材料的3D結(jié)構(gòu)圖像)方面的專業(yè)知識(shí)而廣受贊譽(yù)。

使用分子鑄造廠（STEM 斷層掃描領(lǐng)域世界領(lǐng)先的用戶設(shè)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(gè)基本平面層，表明每個(gè)平面中都有扭曲的六邊形晶格。層之間的配準(zhǔn)主要是橋位，如右側(cè)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(xué)伯克利分校進(jìn)行了核磁共振波譜實(shí)驗(yàn)，在那里她們發(fā)現(xiàn)離心管內(nèi)襯中的微量聚烯烴分子不知何故進(jìn)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(fù)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，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(nèi)得到了更大的 3D PGNP 晶體。

Ting Xu 很驚訝，當(dāng)時(shí)覺得不應(yīng)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(shù)天才能在實(shí)驗(yàn)室中生長。隨后的實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)”。

在另一個(gè)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)中，研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)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(zhì)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(shí)的動(dòng)能驅(qū)動(dòng)的。

▲基板上受控的 PGNP 結(jié)晶

總而言之，這些發(fā)現(xiàn)提供了一個(gè)模型，用于展示如何在單個(gè)粒子水平上控制晶體結(jié)構(gòu)。他們的發(fā)現(xiàn)令人興奮，因?yàn)樗峁┝藢Τ珊嗽缙诰w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(diào)電子和光學(xué)設(shè)備方面獲得前所未有的控制權(quán)。并且這種納米粒子級精度可以加快生產(chǎn)速度并消除制造錯(cuò)誤。

展望未來，Yiwen Qian 想利用他們的新技術(shù)來探測不同晶體結(jié)構(gòu)的韌性——甚至可能制造出六方晶體。

Ting Xu 計(jì)劃使用他們的技術(shù)來制造更大的設(shè)備，例如晶體管或從混合材料中 3D打印的納米粒子。