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化学家们从纳米粒子构建块中创造出新的准晶体材料

被称为准晶体的奇怪材料有一个新成员。在12月20日星期四发表在“科学”杂志上的一篇论文中,布朗大学的研究人员描述了一种准晶体超晶格,它可以从单一类型的纳米粒子构建模块中自组装。

研究人员表示,这是对由单一成分形成的准晶超晶格的首次明确观察。这一发现为这些奇怪的水晶状结构如何出现提供了新的见解。“单组分准晶晶格已经在数学和计算机模拟中得到预测,但在此之前尚未得到证实,”布朗和该论文的资深作者,化学助理教授欧晨说。“这是一种全新的准晶体,我们已经能够找出制造它的规则,这将有助于继续研究准晶体结构。”

化学家Dan Shechtman在20世纪80年代首次发现了准晶材料,他于2011年被授予诺贝尔奖。与由重复的有序图案组成的晶体不同,准晶体是有序的,但它们的图案不重复。准晶体也具有传统晶体无法实现的对称性。例如,正常晶体可以具有三重对称性,其从重复三角形出现,或者从重复立方体出现四重对称。两倍和六倍对称也是可能的。但是准晶体可以具有奇异的5倍,10倍或12倍对称性,所有这些都在正常晶体中被“禁止”。发现的第一种准晶材料是金属合金,通常是铝和一种或多种其他金属。到目前为止,这些材料已被用作煎锅的不粘涂层和外科设备的防腐涂层。但人们对制造新型准晶材料非常感兴趣 - 包括由自组装纳米颗粒制成的材料。

陈和他的同事最初没有开始研究准晶体。Chen的大部分工作都是通过利用纳米粒子构建模块构建超结构来弥合纳米级和宏观世界之间的差距。大约两年前,他设计了一种新型纳米粒子构建模块 - 四面体(金字塔形)量子点。尽管大多数关于纳米颗粒构建结构的研究都是用球形颗粒完成的,但Chen的四面体可以更紧密地包装并可能形成更复杂和坚固的结构。陈氏颗粒的另一个关键特征是它们具有各向异性,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取向。每个金字塔颗粒的一个面具有与所有其他面不同的配体(粘合剂)。当颗粒组装成较大的结构时,具有相似配体的面倾向于彼此结合。与缺乏各向异性的颗粒相比,这种定向结合使得结构更有趣和更复杂。

在最近发表在“自然”杂志上的研究中,陈和他的团队展示了迄今为止从纳米粒子构建模块中创建的最复杂的超结构之一。在该工作中,组装上层结构,同时颗粒与固体基质相互作用。对于这项最新的工作,陈和他的同事们希望看到颗粒在液体表面上组装时会产生什么样的结构,这使得颗粒在组装时具有更大的自由度。团队震惊地发现,最终的结构实际上是一个准晶格。“当我意识到我看到的是一个准晶的格局,我通过电子邮件发送欧说,‘我想我已经找到了超级大’,”康隆长冈,陈实验室的博士后学者和新论文的第一作者说。“这真的令人兴奋。”

利用透射电子显微镜,研究人员将这些颗粒组装成离散的十边形(10边多边形),将它们缝合在一起形成一个具有10倍旋转对称性的准晶格。在普通晶体中禁止的10倍对称性是准晶体结构的标志。

研究人员还能够理解其结构形成的“规则”。虽然十边形是结构的主要单元,但它们不是 - 也不可能 - 是结构中唯一的单元。形成准晶体有点像铺地板。瓷砖必须以覆盖整个地板的方式装配在一起,而不留任何间隙。这不能仅使用十边形来完成,因为没有办法将它们放在一起而不留下间隙。填充孔需要其他形状。

这种新的准晶体结构也是如此 - 它们需要能够填补十边形间隙的二级“瓷砖”。研究人员发现,使其结构发挥作用的原因在于,十边形具有柔韧的边缘。必要时,他们的一个或多个点可以展平。通过这样做,它们可以变成具有九个,八个,七个,六个或五个边的多边形 - 无论填充十边形之间的空间是什么。“这些装饰在这个狭窄的空间里,他们必须和平共享,”陈说。“因此他们通过在需要时使其边缘变得灵活来做到这一点。”从这一观察结果来看,研究人员能够开发出一种形成准晶体的新规则,他们称之为“柔性多边形平铺规则”。陈说,这条规则将有助于继续研究相对较新的准晶体领域。“我们认为这项工作可以为材料科学,化学,数学甚至艺术和设计方面的研究提供信息,”陈说。Nagaoka和Chen在论文中的合着者是Hua Zhu和Dennis Eggert。

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