纳米工程集成了通常不相处的晶体

宾夕法尼亚大学和密歇根大学的一组研究人员开发了使用纳米晶体的困难组合设计新材料的蓝图。这项工作可能会改进已经用于显示器、医学成像和诊​​断的纳米晶体，并使新材料具有以前不可能的特性。

研究人员可以通过将不同成分、大小和形状的纳米晶体组合在一起，制造出具有新的有趣特性的材料。挑战在于以有组织的方式做到这一点。现在，宾夕法尼亚大学和 UM 团队制定了一项策略，探索可用的纳米粒子并找出如何将它们粘在一起。

“这是‘喜欢就喜欢’的问题之一，”最近的博士说。研究生 Katherine Elbert，她在 Chris Murray 的实验室工作时领导了这项研究，Chris Murray 是 Penn Integrates Knowledge (PIK)材料科学与工程教授。

这种趋势意味着不同种类的纳米晶体通常会相互分离，形成无序的斑点，而不是整合的有序固体。

“在这里，我们正试图克服这一障碍，并制造出纳米晶体与其相邻晶体精确耦合以混合其特性的材料，”埃尔伯特说。

密歇根大学约翰·W·卡恩杰出大学工程学教授 Sharon Glotzer 小组的计算机建模展示了一种绕过这一障碍的方法，即在纳米粒子上涂上改变其形状的分子(就相邻的纳米粒子而言)。

当研究人员遵循通过计算机模拟发现的条件时，碲化铅立方体和氟化镧三角形在实验室中自组装成网格。这项技术可以帮助实现具有新特性的新型材料。电子显微镜图像上的比例尺是 100 纳米。图片来源：宾夕法尼亚大学默里实验室

“我们可以利用这些细微的变化来驱动组装，而不是分离，”密歇根大学化学工程研究员 Thi Vo 说。

该研究领域面临的最大挑战之一是纳米晶体的数量和类型——拥有大量具有不同化学式、大小和形状的纳米晶体库。

“将每块‘砖块’放在正确的位置是不可逾越的，”默里说。“但如果你能找到大自然想要组装纳米晶体的规则，并且你知道如何优化条件和块的精确设计，你现在就有了制造不同类别材料的蓝图。”

Glotzer 的小组梳理了 Murray 小组可以制造的粒子库，模拟纳米晶体对之间的相互作用，以了解它们如何将自己组装成不同的所需结构。计算研究为实验室的后续实验推荐了尺寸、形状、材料类型和化学环境。

在这项研究中，研究人员专注于两类具有截然不同的成分、尺寸和结构的纳米晶体——一类具有有趣的光学特性，另一类具有有用的电特性。通常，他们不喜欢混合。但如果他们这样做了，我们就有可能将它们结合起来，制造出能够更有效地将红外光转化为电能的太阳能电池，以及其他可能性。

当该团队用这些涂层分子精确控制纳米晶体的表面尺寸和形状，使正确的晶体组合相互吸引时，他们就能够创造出集成结构。这些结果只需稍作调整即可应用于其他类型的材料。

“通过构建纳米级组件并在通用条件下组织它们，我们可以获得不共存或极难结合的材料特性。现在，我们有一种策略可以让纳米晶体耦合和重叠，”默里说。

Science Advances 上的论文标题为“用于共组装的各向异性纳米晶体形状和配体设计”。

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