Nature子刊：斯坦福大學(xué)研究人員3D打印納米顆粒，釋放變形材料新的潛力

2024年3月27日，南極熊獲悉，斯坦福大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)使用3D納米打印技術(shù)制造了一種極有應(yīng)用前景的形狀之一——阿基米德截角四面體，這是一種帶有截去頂部的微米級(jí)四面體。

相關(guān)研究以題為“Direct observation of phasetransitions in truncated tetrahedral microparticles under quasi-2D confinement “的論文被發(fā)表在《Nature Communications》期刊上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46230-x

在論文中，Gu和她的合著者描述了他們?nèi)绾螌?duì)數(shù)以萬(wàn)計(jì)的這些具有挑戰(zhàn)性的納米顆粒進(jìn)行納米打印，將它們攪拌成溶液，然后觀察它們自組裝成各種有前途的晶體結(jié)構(gòu)。更重要的是，只需將粒子重新排列成新的幾何圖案，這些材料就可以在幾分鐘內(nèi)在狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。

這種改變“相”的能力，正如材料工程師所說(shuō)的變形質(zhì)量，類似于將鐵變成回火鋼的原子重排，或者允許計(jì)算機(jī)以數(shù)字形式存儲(chǔ)數(shù) TB 有價(jià)值數(shù)據(jù)的材料。她說(shuō)：“如果我們能夠?qū)W會(huì)控制由阿基米德截角四面體制成的材料中的這些相移，它可能會(huì)引領(lǐng)許多有前途的工程方向?！?/div>

△截角四面體的光學(xué)圖像，在反相邊界處形成兩個(gè)大的六角形晶粒（左），并轉(zhuǎn)變成在反相邊界處開(kāi)始的準(zhǔn)金剛石相（右）。比例尺為 25 um。（圖片來(lái)源：David Doan 和 John Kulikowski）

難以捉摸的納米粒子

在納米材料中，形狀決定命運(yùn)。也就是說(shuō)，材料中顆粒的幾何形狀限定了所得材料的物理特性。阿基米德截角四面體 (ATT) 長(zhǎng)期以來(lái)一直被認(rèn)為是生產(chǎn)可輕松改變相的材料的最理想的幾何形狀之一，但直到最近，制造起來(lái)仍然具有挑戰(zhàn)性——在計(jì)算機(jī)模擬中預(yù)測(cè)，但在現(xiàn)實(shí)世界中很難復(fù)制。

△形成多個(gè)六角形顆粒的截角四面體的光學(xué)圖像（上）。鍵序分析通過(guò)不同的顏色顯示出不同的六方晶粒（底部）。具有相同顏色的相鄰四面體表明它們具有相同的晶粒取向。比例尺為 20 um。（圖片來(lái)源：David Doan 和 John Kulikowski）

Gu的團(tuán)隊(duì)并不是第一個(gè)大量生產(chǎn)納米級(jí)阿基米德截角四面體的團(tuán)隊(duì)，但他們是第一個(gè)使用 3D 納米打印技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的。Gu解釋道：“通過(guò) 3D 納米打印，我們幾乎可以制作任何我們想要的形狀。我們可以非常仔細(xì)地控制顆粒形狀。通過(guò)模擬預(yù)測(cè)這種特殊的形狀會(huì)形成非常有趣的結(jié)構(gòu)。當(dāng)你能以各種方式將它們包裝在一起時(shí)，它們就會(huì)產(chǎn)生有價(jià)值的物理特性?！?/div>

ATT 形成了至少兩個(gè)非常理想的幾何結(jié)構(gòu)。第一種是六邊形圖案，其中四面體平放在基板上，其截頭朝上，就像納米級(jí)山脈一樣。Gu說(shuō)，第二種可能更有希望。它是一種晶體準(zhǔn)金剛石結(jié)構(gòu)，其中四面體以向上和向下的方向交替排列，就像放在雞蛋盒中的雞蛋一樣。鉆石排列被認(rèn)為是光子學(xué)界的“圣杯”，可以引領(lǐng)許多新的、有趣的科學(xué)方向。

形成多個(gè)準(zhǔn)金剛石顆粒的截角四面體的共焦圖像（左）。鍵序分析通過(guò)交替顏色顯示不同的準(zhǔn)金剛石顆粒（右）。具有交替顏色（即藍(lán)色和紅色/棕色，或深藍(lán)色和黃色）的相鄰四面體表明它們具有相同的晶粒取向。比例尺為 20 um。（圖片來(lái)源：David Doan 和 John Kulikowski）

然而，最重要的是，如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，由 3D 打印顆粒制成的未來(lái)材料可以快速重新排列，通過(guò)應(yīng)用磁場(chǎng)、電流、熱量或其他工程方法輕松地在相之間來(lái)回切換。

Gu表示她可以想象太陽(yáng)能電池板的涂層可以全天變化以最大限度地提高能源效率，飛機(jī)機(jī)翼和窗戶的新時(shí)代疏水薄膜意味著它們永遠(yuǎn)不會(huì)起霧或結(jié)冰，或者新型計(jì)算機(jī)內(nèi)存。這樣的例子不勝枚舉。

Gu在談到她已經(jīng)在以新方式使用阿基米德截?cái)嗨拿骟w納米粒子進(jìn)行的最新研究時(shí)說(shuō)道：“目前，我們正在努力使這些粒子具有磁性，以控制它們的行為，可能性才剛剛開(kāi)始被探索?！?/div>

這項(xiàng)工作的其他合著者是博士生 David Doan 和 John Kulikowski。顧還是斯坦福 Bio-X 的成員。

這項(xiàng)工作由國(guó)家科學(xué)基金會(huì)、斯坦福大學(xué)研究生獎(jiǎng)學(xué)金資助。DD、JK、赫爾曼基金會(huì)和國(guó)家科學(xué)基金會(huì)。這項(xiàng)工作的一部分是在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)支持的斯坦福納米共享設(shè)施和斯坦福細(xì)胞科學(xué)成像設(shè)施進(jìn)行的。