由西北大學(xué)和密歇根大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組開(kāi)發(fā)了一種將顆粒組裝成膠體晶體的新方法，膠體晶體是一種用于化學(xué)和生物傳感和光檢測(cè)設(shè)備的有價(jià)值的材料。使用這種方法，該團(tuán)隊(duì)首次展示了如何以自然界中沒(méi)有的方式設(shè)計(jì)這些晶體。

該團(tuán)隊(duì)使用能源部(DOE)科學(xué)辦公室位于能源部阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)光子源(APS)來(lái)確認(rèn)他們的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)。

“強(qiáng)大的X射線(xiàn)束可以進(jìn)行研究此類(lèi)裝配所需的高分辨率測(cè)量。APS是進(jìn)行這項(xiàng)研究的理想設(shè)施，”阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的ByeongduLee說(shuō)道。

“我們發(fā)現(xiàn)了制造新材料系統(tǒng)的基本原理，”西北大學(xué)溫伯格文理學(xué)院的GeorgeB.Rathmann化學(xué)教授ChadA.Mirkin說(shuō)。“這種打破對(duì)稱(chēng)性的策略改寫(xiě)了材料設(shè)計(jì)和合成的規(guī)則。”

該研究由密歇根大學(xué)化學(xué)工程系主任AnthonyC.Lembke的Mirkin和SharonC.Glotzer指導(dǎo)，并發(fā)表在NatureMaterials雜志上。

膠體晶體是非常小的顆粒，其他更小的顆粒(稱(chēng)為納米顆粒)以有序或?qū)ΨQ(chēng)的方式排列在它們內(nèi)部。它們可以設(shè)計(jì)用于從光傳感器和激光器到通信和計(jì)算的應(yīng)用。在這項(xiàng)研究中，科學(xué)家們?cè)噲D打破自然界的自然對(duì)稱(chēng)性，這種對(duì)稱(chēng)性往往會(huì)以最對(duì)稱(chēng)的方式排列微小的粒子。

“想象一下，你正在把籃球堆在一個(gè)盒子里，”阿貢大學(xué)的ByeongduLee說(shuō)，他是APS的組長(zhǎng)，也是該論文的作者。“你會(huì)有一種特定的方法，可以從空間中獲得最大價(jià)值。這就是大自然的做法。”

然而，Lee說(shuō)，如果這些球有一定程度的癟了，你可以將它們堆疊成不同的模式。他說(shuō)，研究小組正在嘗試對(duì)納米材料做同樣的事情，教它們自組裝成新的圖案。

在這項(xiàng)研究中，科學(xué)家們使用了DNA，這是細(xì)胞內(nèi)攜帶遺傳信息的分子。科學(xué)家們已經(jīng)對(duì)DNA有了足夠的了解，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行編程以遵循特定的指令。該研究小組使用DNA來(lái)教金屬納米粒子組裝成新的配置。研究人員將DNA分子附著在不同大小的納米粒子表面，發(fā)現(xiàn)較小的粒子在它們之間的間隙中圍繞較大的粒子移動(dòng)，同時(shí)仍將這些粒子結(jié)合在一起形成一種新材料。

“使用大大小小的納米粒子，其中較小的納米粒子像金屬原子晶體中的電子一樣四處移動(dòng)，是構(gòu)建復(fù)雜膠體晶體結(jié)構(gòu)的全新方法，”格洛澤說(shuō)。

通過(guò)調(diào)整這種DNA，科學(xué)家們改變了小電子當(dāng)量粒子的參數(shù)，從而改變了產(chǎn)生的晶體。

“我們探索了更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，在這些結(jié)構(gòu)中，控制每個(gè)粒子周?chē)泥従訑?shù)量會(huì)產(chǎn)生進(jìn)一步的對(duì)稱(chēng)性破壞，”格洛澤說(shuō)。“我們的計(jì)算機(jī)模擬有助于破譯復(fù)雜的模式并揭示使納米粒子能夠創(chuàng)造它們的機(jī)制。”

這種方法為三個(gè)新的、從未合成的結(jié)晶相奠定了基礎(chǔ)，其中一個(gè)沒(méi)有已知的天然等效物。

“膠體粒子集合體在自然原子系統(tǒng)中總是有一些類(lèi)比，”李說(shuō)。“這次我們發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)是全新的。它的組裝方式，我們還沒(méi)有看到金屬、金屬合金或其他材料自然地以這種方式組裝起來(lái)。”

“我們還不知道這種材料的物理特性，”李說(shuō)。“現(xiàn)在我們把它交給材料科學(xué)家來(lái)創(chuàng)造和研究這種材料。”

該團(tuán)隊(duì)使用APS的超亮X射線(xiàn)束來(lái)確認(rèn)其晶體的新結(jié)構(gòu)。他們?cè)诠馐€(xiàn)5-ID和12-ID上使用高分辨率小角度X射線(xiàn)散射儀器來(lái)創(chuàng)建他們創(chuàng)建的粒子排列的精確圖片。

“強(qiáng)大的X射線(xiàn)束可以實(shí)現(xiàn)研究此類(lèi)組件所需的高分辨率測(cè)量，”Lee說(shuō)。“APS是進(jìn)行這項(xiàng)研究的理想設(shè)施。”

APS目前正在進(jìn)行大規(guī)模升級(jí)，Lee指出，這將使科學(xué)家們能夠在未來(lái)確定更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。12-ID的儀器也在升級(jí)，以充分利用可用的更亮的X射線(xiàn)束。

這些低對(duì)稱(chēng)性膠體晶體具有其他晶體結(jié)構(gòu)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的光學(xué)特性，可能會(huì)在廣泛的技術(shù)中得到應(yīng)用。它們的催化性能也不同。但是，既然已經(jīng)了解了破壞對(duì)稱(chēng)性的條件，那么這里公布的新結(jié)構(gòu)只是可能性的開(kāi)始。

“我們正處于一個(gè)前所未有的材料合成和發(fā)現(xiàn)時(shí)代，”米爾金說(shuō)。“這是將新的、未開(kāi)發(fā)的材料從速寫(xiě)本中引入到可以利用其稀有和不尋常特性的應(yīng)用中的又一步。”