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让我弯曲,塑造我,任何你想要的方式:科学家把纳米颗粒制成复杂的形状

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-11-09  浏览次数:13
核心提示:20多年来,科学家们一直在制造二维薄片、三维晶体和随机星系团中的纳米粒子。但他们从未能够得到一张纳米颗粒的曲线或折叠成一个

20多年来,科学家们一直在制造二维薄片、三维晶体和随机星系团中的纳米粒子。但他们从未能够得到一张纳米颗粒的曲线或折叠成一个复杂的三维结构。现在,来自芝加哥大学、密苏里大学和美国能源部阿贡国家实验室的研究人员找到了一种简单的方法来做到这一点。

 

这一发现为科学家设计具有可调电、磁和机械性能的薄膜开辟了道路,这些薄膜可用于电子领域,甚至可能对理解生物系统有意义。


在纳米材料中心(CNM)和先进光子源中心(APS)工作,这两个位于阿贡的能源部科学用户设施办公室,研究小组得到了涂有有机分子的金纳米粒子薄膜,当被电子束击中时,薄膜卷曲成管状。同样重要的是,他们已经发现了它是如何发生的以及为什么会发生。


科学家们在几千个原子的金纳米颗粒上涂上一层油状的有机分子,将金颗粒结合在一起。当这些颗粒漂浮在水面上时,它们就形成了一个薄片;当水蒸发的时候,它会把床单悬在一个洞上。“这就像一个鼓一样,”领导这个项目的纳米材料中心的科学家林晓敏说。“但它是由一层纳米粒子构成的非常薄的膜。”


令他们惊讶的是,当科学家们把这种薄膜放入扫描电子显微镜的光束中时,它折叠了起来。它每次都折叠,而且总是在同一个方向。


“这引起了我们的好奇心,”林说。“为什么它会向一个方向弯曲?”


答案在于有机表面分子。它们是疏水的:当它们漂浮在水面上时,它们试图避免与之接触,因此它们最终以一种不均匀的方式分布在纳米颗粒薄片的顶部和底部。当电子束撞击分子表面时,会使它们与相邻分子形成额外的键,产生不对称的应力,使薄膜发生折叠。


APS的x射线工作人员张江和王进想出了一种巧妙的方法来测量分子不对称,这种分子不对称只有6埃,也就是6个原子那么厚,小到通常无法测量。


CNM的Subramanian Sankaranarayanan和Sanket Deshmukh利用美国能源部国家能源研究科学计算中心的高性能计算资源和美国能源部科学用户设施办公室的Argonne领导力计算设施(ALCF)来分析纳米颗粒的表面。他们发现有机分子的表面覆盖量和分子在表面的迁移程度都对膜的不对称程度有重要影响。


“这些结果令人着迷,”伦敦帝国理工学院(Imperial College)化学物理学教授、软物质物理学领域的主要理论家费尔南多·布雷斯米(Fernando Bresme)说。“它们显著提高了我们制造具有可控形状的新型纳米结构的能力。”


原则上,科学家可以使用这种方法诱导任何表面分子分布不对称的纳米颗粒膜发生折叠。林说:“你可以使用一种讨厌水的分子,依靠水面来驱动分子不均匀分布,或者你可以使用两种不同的分子。关键是分子的分布是非均匀的"


下一步,林和他的同事们将探索如何控制表面的分子分布,从而控制折叠行为。他们设想用电子束只击穿结构的一小部分,设计应力以达到特定的弯曲模式。


“你可以把这些东西折叠成折纸结构和各种有趣的几何形状,”林说。“它打开了可能性。”


 
 
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