科学家实时观察纳米晶体复合超结构的生长

科学家和工程师首次实时观察了由不同材料制成的两种纳米粒子如何结合成新的复合材料。由宾夕法尼亚大学和密歇根大学领导的团队报告的这一发现可以帮助工程师更好地控制材料的组装，这些材料结合了每个粒子的所需特性，例如光致发光、磁性和导电能力。

密歇根大学化学工程系主任、论文共同通讯作者莎伦·格洛泽(SharonGlotzer)表示：“我们正在设计新材料，以现有材料无法实现的方式结合不同类型的功能。”该研究发表在《自然综合》杂志上。

该复合结构是一种二元纳米晶体超晶格，可用于电子器件、光学器件以及能源生产和存储。

“例如，将光致发光和磁性纳米粒子结合起来，可以使用磁场改变激光的颜色，”该论文的共同第一作者、宾夕法尼亚大学前博士后研究员埃马努埃莱·马里诺(EmanueleMarino)说。

工程师通常通过将纳米粒子构建块混合在溶液中并让溶液的液滴干燥来创建二元纳米晶体超晶格。当液滴收缩时，颗粒结合成所需的上部结构。然后工程师用X射线照射晶体，观察由此产生的纳米晶体结构。每个晶体结构都会以独特的模式散射X射线，该模式可作为识别晶体的指纹。

实时观察这些晶体如何组装一直是一个科学挑战，因为对于大多数X射线散射技术来说，它们的形成速度太快。由于没有看到最终结构的步骤，科学家们只能猜测他们的纳米晶体混合物如何形成上层结构。

宾夕法尼亚大学理查德佩里大学化学教授克里斯托弗·默里(ChristopherMurray)说：“弄清楚这些材料如何相互反应将使我们能够建立一个更全面的库，其中包含它们结合时可以形成的结构。”该研究的作者。

该团队在纽约厄普顿布鲁克海文国家实验室的国家同步加速器光源II的帮助下，通过减慢组装过程并使用更快的X射线散射技术，首次对超晶格进行实时X射线散射测量。

布鲁克海文国家实验室的科学家、该研究的合著者EstherTsai表示：“该设施的高X射线通量和快速数据收集可以跟上晶体形成的速度。”

为了减缓晶格组装，研究人员将不同的纳米颗粒混合到油乳液中(几乎像磁性沙拉酱)，然后将乳液放入水中。当油扩散到水中时，纳米颗粒混合物会收缩，但与传统的风干方法相比，收缩速度要慢得多。

经过长达五分钟的初始快速生长阶段后，纳米晶体通过在三到五个小时内缓慢排出最后剩余的油而聚集在一起。

密歇根大学团队通过观察新生晶体，推导了解释晶格如何形成的物理原理，并通过计算机模拟对该过程进行了建模。

密歇根大学化学工程系主任AnthonyCLembke教授SharonGlotzer表示：“利用实验中的时间信息，我们可以构建一个预测模型，不仅可以重现最终结构，还可以重现该结构的整个组装路径。”该研究的通讯作者。

研究小组发现，无论使用哪种纳米颗粒，二元纳米晶体超晶格组装都是通过纳米颗粒构建块之间的短程吸引力发生的，并且“进一步证实在最终晶体之前没有形成中间相，并且乳液液滴的表面没有形成中间相”。密歇根大学化学工程系前博士生、该研究的共同第一作者艾伦·拉库尔(AllenLaCour)说：

在没有其他解释因素的情况下，模拟得出的结论是，纳米晶体相互作用的强度是决定收缩液滴中超晶格结构的主要因素。相互作用强度可以随着颗粒的尺寸和电荷或者向颗粒中添加某些元素而改变。密歇根大学团队的计算机模型可以模拟这些变化的影响。