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科学家设计出3D生长的纳米材料,可以加速智能建筑和机器人新技术的生产

发布时间:2021-7-20 10:25:56      阅读48

  结晶是在大多数物质类别中都可以看到的普遍过程,是自然界中发现的最基本的过程之一,它赋予矿物、宝石、金属甚至蛋白质结构。纳米粒子 (nanoparticle, NP) 是可视化和理解结晶过程的理想系统,并且可以作为新型材料的构建块。
  在过去的几十年里,科学家们一直试图揭示天然晶体如何自组装和生长的。他们的开创性工作带来了一些令人兴奋的新技术,从彩色 QLED 电视显示器背后的量子点到类肽 —— 一种蛋白质模拟物这激发了数十项生物技术突破。
  现在,由能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)和加州大学伯克利分校组成的一个研究小组开发出一种纳米颗粒复合材料,可以长成 3D 晶体。科学家们表示,这种新材料——他们称之为 3D PGNP(聚合物接枝纳米粒子)晶体——可能会导致 3D 生长而不是 3D 打印的新技术。该研究成果2021年5月13日发表在 nature communication 研究中。

 

  ▲3D 生长的 100-200 纳米晶体圆盘的 STEM 断层扫描图像。图片来源:伯克利实验室
  来自伯克利实验室材料科学部,加州大学伯克利分校化学与材料科学与工程教授 Ting Xu 表示,他们已经展示了一种新的杠杆,可以说是将晶体材料转变为复合材料或结构化材料,适用于从智能建筑的纳米级光子学到机器人的执行器等应用。
  同时,他们的新方法符合大规模制造的需求。该系统本质上是纳米粒子和聚合物的混合物——类似于人们用来制造飞机机翼或汽车保险杠的成分。但更重要的是有趣的是,我们没想到我们的方法如此简单和快速,”徐说。
  一次偶然的发现
  该研究第一作者 Yiwen Qian 是加州大学伯克利分校徐群的博士研究员,在一次普通的实验室实验中偶然发现了 3D PGNP 纳米晶体。几天前,她将甲苯溶剂和用聚苯乙烯 (Au-PS) 接枝的金纳米粒子的溶液留在实验室柜台的离心管中。当她在透射电子显微镜 (TEM) 下观察样品时,她发现了一些奇怪的东西。“纳米粒子迅速结晶。这不是正常的事情,”她说。

 

  ▲具有不同体积分数的 PP/PE 的自组装 (5.3k) Au-PS0.60 NP 的 TEM 图像。∅PP/PE∼0.01%、0.05% 和 0.1% 的比例尺为 50 nm,0.5% 的比例尺为 200 nm
  为了进行调查,Ting Xu 与伯克利实验室分子铸造厂的科学家 Peter Ercius 以及伯明翰大学的 Wolfgang Theis 和 Alessandra DaSilva 合作,他们都因其在 STEM(扫描透射电子显微镜)断层扫描(一种电子显微镜技术,使用高度聚焦的电子束以高分辨率重建材料的3D结构图像)方面的专业知识而广受赞誉。使用分子铸造厂(STEM 断层扫描领域世界领先的用户设施)的显微镜,研究人员首先捕获了 Au-PS 纳米粒子的晶体 3D 图案。

 

  ▲以绿色和紫色绘制的两个基本平面层,表明每个平面中都有扭曲的六边形晶格。层之间的配准主要是桥位,如右侧放大图所示。比例尺为 100 和 25 nm。
  为了寻找更多线索,Ting Xu 和 Yiwen Qian 随后在加州大学伯克利分校进行了核磁共振波谱实验,在那里她们发现离心管内衬中的微量聚烯烃分子不知何故进入了混合物中。聚烯烃,包括聚乙烯和聚丙烯,是世界上最普遍的塑料之一。
  Yiwen Qian 重复了这个实验,在 Au-PS 溶液中加入了更多的聚烯烃——这一次,他们在几分钟内得到了更大的 3D PGNP 晶体。
  Ting Xu 很惊讶,当时觉得不应该发生得这么快。在她之前的观念中纳米颗粒的晶体通常需要数天才能在实验室中生长。
  工业的福音:纳米生长材料
  随后的实验表明,随着甲苯溶剂在室温下迅速蒸发,聚烯烃有助于 Au-PS 纳米粒子形成 3D PGNP 晶体,并“成长为他们最喜欢的晶体结构”。
  在另一个关键实验中,研究人员设计了一个自组装的 100-200 纳米晶体圆盘,看起来像金字塔的底部。研究人员从纳米级控制物质的惊人演示中了解到,3D PGNP 晶体的大小和形状是由聚烯烃在溶液中沉淀时的动能驱动的。

 

  ▲基板上受控的 PGNP 结晶
  总而言之,这些发现提供了一个模型,用于展示如何在单个粒子水平上控制晶体结构。他们的发现令人兴奋,因为它提供了对成核早期晶体如何形成的新见解。
  Ting Xu 表示,这种新方法可以让研究人员在纳米级(十亿分之一米)微调电子和光学设备方面获得前所未有的控制权。并且这种纳米粒子级精度可以加快生产速度并消除制造错误。展望未来,Yiwen Qian 想利用他们的新技术来探测不同晶体结构的韧性——甚至可能制造出六方晶体。Ting Xu 计划使用他们的技术来制造更大的设备,例如晶体管或从混合材料中 3D打印的纳米粒子。
  本文来源:
  Yiwen Qian et al, Crystallization of nanoparticles induced by precipitation of trace polymeric additives, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-22950-2
  文章来源:江苏激光产业技术创新战略联盟

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