伊利诺伊州香槟市——研究人员开发了一种新策略来帮助构建具有独特光学、磁性、电子和催化特性的材料。

这些风车状结构由纳米粒子自组装并表现出一种称为手性的特征——这是自然界将复杂性构建到从分子到星系的所有尺度结构中的策略之一。

自然界充满了手性的例子——DNA、有机分子甚至人的手。一般来说，手性可以在可以有不止一种空间排列的物体中看到。研究人员说，例如，分子中的手性可能表现为两串具有相同成分的原子，但每个原子在其空间方向上都有向左或向右的“扭曲”。

由伊利诺伊大学香槟分校材料科学与工程教授 Qian Chen 和密歇根大学化学工程教授 Nicholas A. Kotov 领导的这项新研究将手性扩展到由纳米颗粒构建块组装的晶格中创造新的超材料——旨在与周围环境相互作用以执行特定功能的材料。

该研究发表在《自然》杂志上。

从纳米粒子的自发组装中制造大规模手性晶格的努力取得了有限的成功。陈说，以前的研究依赖于产生非常小结构的模板，限制了它们在超材料设计中的实用性。

“在这项新研究中，我们受到多孔材料的对称性破缺特性的启发，将小于 100 纳米的金字塔形纳米粒子组装成可重构晶格，”前伊利诺伊州博士后研究员周单说，他是这项工作的第一作者，目前是一名研究人员。南达科他州矿业与技术学院教授。 “由此产生的晶格足够大，可以用肉眼看到。”

陈说，以前的模型没有预测到具有手性的风车晶格。

在这项研究中，基于 Kotov 和密歇根博士后研究人员 Ju Lu 和 Ji-Young Kim 开发的图论和计算的预测 - 令他们惊讶的是 - 风车晶格结构虽然本质上是非手性的，但在基板上变得手性。

“从研究的角度来看，新的晶格结构令人着迷，因为它为它们的特性带来了许多新的多方面研究机会，”科托夫说。

Chen 的液相电子显微镜技术——她说这类似于“用于观察纳米粒子自组装的微型水族馆”——对这项研究很有帮助。

不过，研究人员表示，制造这种结构并非靠运气。

“事实证明，定量模型与液相电子显微镜纳米水族箱中观察到的动态组装过程非常吻合，”伊利诺伊州研究生、该研究的合著者 Jiahui Li 说。

“液相电子显微镜使我们能够更进一步地进行超晶格组装，”陈说。

“因为我们可以实时观察和操纵纳米粒子的相互作用，我们可以精确地调整它们的运动以形成非常复杂的风车设计，”李说。

除了液相电子显微技术外，美国能源部阿贡国家实验室的超快电子显微镜还提供了对纳米级自组装超晶格光学特性的独特理解。

“没有人能够使用其他技术直接看到如此小长度的物体的手征反应，”阿贡纳米材料中心的研究员 Haihua Liu 说。

该团队预见到该成像平台将用于表征各种纳米粒子和自组装结构。

“作为一名研究纳米粒子的理论家，我一直对如何组装手性纳米粒子排列很感兴趣，”爱荷华州立大学教授 Alex Travesset 说，他对风车晶格进行了几何计算。 “风车晶格的有趣行为可以超越它们的手性光学反应。”

密歇根教授兼研究合著者 Kai Sun 表示，风车格子可以重新配置它们的结构，这一特性可能在战斗头盔和飞机的设计中很有用，例如。

研究人员还设想使用这种新策略根据现有的合成可用纳米粒子库制造其他手性元涂层，并且它将实现具有手性光学活性和机械性能的元结构表面的丰富设计空间。

“我们认为这种基板支持的手性组装方法可以使整个纳米材料研究界受益，”Kotov 说。

Chen 还隶属于伊利诺伊大学的材料研究实验室、化学、化学和生物分子工程、Carl R. Woese 基因组生物学研究所和 Beckman 高级科学技术研究所。

海军研究办公室通过多学科大学研究计划支持这项研究。

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南留学态度观点。