研究人员利用静电电荷将粒子组装成类似宝石和盐晶体的材料

根据纽约大学化学家在《自然》杂志上发表的一项新研究，仅仅使用静电电荷，普通的微粒就能自发组织成高度有序的晶体物质——相当于食盐或蛋白石。

“我们的研究为自组装工艺带来了新的曙光，这种工艺可用于制造新的功能材料，”纽约大学化学副教授、该研究的资深作者斯特凡诺·萨卡纳(Stefano Sacanna)说。

自组装是微小粒子相互识别并以预定的方式结合的过程。这些粒子聚集在一起，在一个触发事件或条件改变后，自发地组装成有用的东西。

一种让粒子以特定方式组装的方法是用DNA链将它们包裹起来;遗传密码指示粒子如何以及在哪里相互结合。然而，由于这种方法需要相当数量的DNA，因此成本可能很高，而且仅限于制作非常小的样本。

在《自然》杂志的研究中，研究人员采用了一种更简单的方法来进行自我组装。他们没有使用DNA，而是使用静电荷。

Sacanna解释说，这个过程类似于你把盐混合到一壶水里的过程。当盐加入水中时，这些微小的晶体会溶解成带负电荷的氯离子和带正电荷的钠离子。当水蒸发时，带正电和负电的粒子重新结合成盐晶体。

“我们没有像盐那样使用原子离子，而是使用比盐大几千倍的胶体粒子。当我们在合适的条件下把这些胶体粒子混合在一起时，它们就会像原子离子一样运动，并自组装成晶体。”

这个过程允许制造大量的材料。

该研究的第一作者、纽约大学博士后研究员Theodore Hueckel说:“利用粒子的自然表面电荷，我们成功地避免了任何复杂组装所需的表面化学反应，这使得我们可以很容易地制造出大量的晶体。”

除了制造类似盐的胶体材料外，研究人员还利用自组装技术制造了类似宝石的胶体材料，尤其是蛋白石。蛋白石是五彩缤纷的，这是它们内部的晶体结构和与光的相互作用的结果。在实验室里，研究人员创造出了具有与蛋白石非常相似的内部微观结构的试管宝石。

Hueckel补充说:“如果你放大蛋白石的图像，你会看到同样的微小的球状建筑以常规的方式排列。”

利用静电电荷进行自组装，使研究人员既能模拟在自然界中发现的材料，又具有自然之外的优势。例如，它们可以调整带正电和负电粒子的大小和形状，这就允许了各种不同的晶体结构。

“我们的灵感来自自然的离子晶体，但我们相信，我们将超越其结构复杂性，利用所有胶体建筑块独特的设计元素，”Hueckel说。

除了Sacanna和Hueckel，研究作者还包括纽约大学的Glen M. Hocky和加州大学圣地亚哥分校的Jeremie Palacci。该研究由国家科学基金职业奖(DMR-1653465)和nsf资助的纽约大学材料研究科学与工程中心(DMR-1420073)资助。