科学家实时观察纳米晶体的复合上部结构生长

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颗粒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一个团队报告的这一发现可以帮助工程师更好地控制结合每个粒子的理想特性的材料的组装，例如光致发光，磁性和导电能力。

“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，了解它们在结合时可以形成的结构，”宾夕法尼亚大学综合知识大学教授克里斯托弗·默里（Christopher Murray）说，他在艺术与科学学院和工程与应用科学学院任职，该研究的资深作者发表在 《自然合成》杂志上。

该复合结构是一种二元纳米晶超晶格，可用于电子和光学器件以及能量生产和存储。

“例如，将光致发光和磁性纳米粒子结合起来，可以让你使用磁场改变激光的颜色，”该论文的共同第一作者、默里实验室的前博士后研究员Emanuele Marino说。

工程师通常通过将纳米颗粒构建块混合在溶液中并让溶液液滴干燥来创建二元纳米晶体超晶格。随着液滴的收缩，颗粒结合成所需的上层结构。然后，工程师用X射线击中晶体，以查看由此产生的纳米晶体结构。每个晶体结构都以独特的模式散射 X 射线，作为识别晶体的指纹。

实时观察这些晶体是如何组装的一直是一项科学挑战，因为它们的形成速度对于大多数X射线散射技术来说太快了。由于没有看到导致最终结构的步骤，科学家们只能猜测他们的纳米晶体混合物如何导致超结构。

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，创建了超晶格的首次实时X射线散射测量。

“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，”布鲁克海文国家实验室的科学家和该研究的合著者Esther Tsai说。

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 – 几乎就像磁性沙拉酱 – 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，但与传统的空气干燥方法相比要慢得多。在持续长达五分钟的初始快速生长阶段之后，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。

通过观察新生的晶体，密歇根大学的团队能够推导出解释晶格如何形成的物理学，并通过计算机模拟模拟该过程。

“利用来自实验的时间信息，我们可以构建一个预测模型，该模型不仅可以再现最终结构，还可以再现结构的整个组装途径，”该研究的资深作者、密歇根州的Sharon Glotzer说。

研究小组发现，无论使用何种类型的纳米颗粒，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，乳液液滴的表面在形成晶体中没有发挥作用，”密歇根大学博士毕业生Allen LaCour说。 也是该研究的共同第一作者。

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粒子的大小和电荷或向粒子添加某些元素而改变。

克里斯托弗·B·默里（Christopher B. Murray）是宾夕法尼亚大学综合知识教授，是理查德·佩里大学艺术与科学学院和工程与应用科学学院的化学教授。

伊曼纽尔·马里诺（Emanuele Marino）是宾夕法尼亚大学默里实验室的前博士后研究员，目前是巴勒莫大学的助理教授。

Sharon Glotzer 是密歇根大学安娜堡分校化学工程系的 Anthony C. Lembke 系主任。

Esther H.R. Tsai是布鲁克海文国家实验室功能纳米材料中心的一名科学家。

Allen Lacour是密歇根大学的博士毕业生，目前是加州大学伯克利分校的博士后研究员。

其他作者包括宾夕法尼亚大学的Austin W. Keller、Di An、Shengsong Yang、Daniel J. Rosen、Guillaume Gouget和Cherie R. Kagan;密歇根大学安娜堡分校的R. Allen LaCour和Timothy C. Moore;以及瓦赫宁根大学的Sjoerd W. van Dongen和Thomas E. Kodger。

该研究得到了美国国家科学基金会（授予 DMR-2019444、MRSEC 1720530 和 ACI-1548562 并授予 DMR 140129）、海军研究办公室（授予 ONR N00014-18-1-2497）和国家恢复和复原计划（PNR 2021-2022 CUP B79J21038330001）的支持。