由金字塔形状的建筑材料制成的新型纳米颗粒上层建筑

普罗维登斯，R.I.[布朗大学]——布朗大学的研究人员用金字塔形状的纳米颗粒构建了复杂的宏观上层建筑。发表在《自然》(Nature)杂志上的这项研究展示了一种很有前景的新方法，可以将纳米颗粒的有用特性应用于大规模材料和设备。

布朗大学(Brown)的化学助理教授、该研究的资深作者欧辰(Ou Chen)表示:“用球形纳米颗粒制造超结构的研究很多，但用四面体构建块的研究就少得多。”“四面体开启了制造更复杂结构的可能性，我们在这里展示的3D上层结构是由单个纳米颗粒组件组装而成的最复杂的结构之一。”

陈的研究小组在一年前开发了用于这项研究的积木。这些粒子是量子点——可以吸收和发射光的纳米半导体。陈说，当用四面体(金字塔状)来建造更大的结构时，它们的形状比球体有重要的优势。四面体可以用比球体更少的空隙来填充，这使得结构可能更坚固。此外，研究中使用的粒子是各向异性的，这意味着它们具有不同的性质，这取决于它们相对于彼此的方向。另一方面，球体在各个方向上是相同的。

在四面体量子点的情况下，各向异性是通过用不同的配体(一种化学键合剂)处理每个棱锥的一个平面或一个小面而产生的。

“配体有助于指导两个粒子小面到小面接触的过程，”陈的团队的博士后研究员、该项目的主要贡献者永冈泰中(Yasutaka Nagaoka)说。“在这种情况下，带有类似配体的平面相互吸引，这在一定程度上控制了粒子的排列方式。”

这与各向同性球体形成对比，它们的排列是随机的。

“与使用各向同性球体相比，各向异性增加了上层建筑的复杂性，”陈说。“这也给了我们一些力量来控制超晶体中粒子的原子排列，这可能会产生有趣的特性。”例如，你可以预测排列会带来更好的电子性能，因为电子更容易穿过上层建筑的晶格。”

在他们的研究中，陈和他的同事将四面体量子点溶解在溶液中，然后让这些粒子组装成三种不同类型的超结构:一维链、二维晶格和三维超晶体。

陈说，3D超晶体特别有趣，因为它们的复杂性和它们形成的有趣方式。单个的纳米粒子首先形成球状的团簇，每个团簇由36个粒子组成。这些星团形成了更大的上层建筑。当研究人员用x射线散射对晶格结构进行详细描述时，他们发现晶格的原子结构确实是对齐的，正如他们所希望的那样。

既然他们已经展示了一种形成结构的方法，下一步就是查询它们的属性。

“量子点积木本身就很有趣，”陈说。“他们有有趣的光子动力学，这可能转化为上层结构有趣的光学性质。

“我们需要了解如何组装这些更大更复杂的结构，”他说。“我认为这将是一座桥梁，将纳米尺度的动力学带入宏观尺度，并使新型超材料和设备成为可能。”

本文的其他合著者还有谭锐、李瑞鹏、朱华、丹尼斯·埃格特、吴一民、刘玉子和王中武。这项工作得到了布朗大学所罗门研究基金、布朗分子和纳米创新研究所(IMNI)和国家科学基金会(DMR-1332208)的支持。