纳米颗粒阵列的工程相变

   日期:2019-01-12     浏览:22    评论:0    
核心提示:美国能源部布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)的科学家们刚刚朝着设计动态纳米材料的目标迈出了一大步,这种

美国能源部布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)的科学家们刚刚朝着设计动态纳米材料的目标迈出了一大步,这种材料的结构和相关性能可以根据需要改变。在发表在《自然材料》杂志上的一篇论文中,他们描述了一种将纳米颗粒有选择地重新排列成三维阵列的方法,从而从相同的纳米组分中产生不同的构型或相。

“纳米颗粒自组装的目标之一是通过设计创造结构,”在美国能源部科学用户设施办公室布鲁克海文功能纳米材料中心(CFN)领导这项工作的奥列格·冈(Oleg Gang)说。“到目前为止,我们建造的大多数结构都是静态的。现在,我们正在努力实现一个更加雄心勃勃的目标:制造出可以变形的材料,这样我们就可以利用粒子重新排列时产生的特性。
引导粒子重排或相变的能力,将使科学家能够选择所需的特性——例如,材料对光或磁场的反应——并根据需要进行切换。这种相变材料可能会带来新的应用,如动态能量收集或响应光学材料。
DNA-directed重排
这项纳米工程的最新进展建立在该团队之前的工作基础上,即开发使纳米颗粒自组装成复杂的复合阵列的方法,包括用合成DNA的互补链将它们连接在一起。在这种情况下,他们从一组已经通过单链DNA链上的a、T、G和C碱基的互补结合形成规则阵列的纳米粒子开始,然后添加“重编程”DNA链来改变粒子间的相互作用。
Gang说:“我们知道,由纳米颗粒构建的材料的性能很大程度上取决于它们的排列。”“以前,我们甚至能够通过缩短或延长DNA链来操纵光学性质。但这种方式不允许我们在整个结构已经建成后进行全球重组。
纳米颗粒阵列的工程相变
注入不同种类的重编程DNA链可以以不同的方式改变粒子间的相互作用,这取决于新的DNA链是增加了吸引力、排斥力,还是粒子间这些力的组合。出处:布鲁克海文国家实验室
在新的方法中,重新编程的DNA链附着在已经组装好的纳米颗粒上的开放结合位点上。这些链对连接的纳米颗粒施加额外的力。
“通过引入不同类型的DNA重编程链,我们修改了纳米颗粒周围的DNA外壳,”该论文的第一作者、CFN博士后张玉刚解释说。改变这些壳层可以选择性地改变粒子间的相互作用,或者通过增加吸引和排斥,或者单独增加吸引或排斥。这些重新编程的相互作用对粒子施加了新的约束,迫使它们实现一个新的结构组织来满足这些约束。


利用他们的方法,研究小组展示了他们可以将原来的纳米颗粒阵列,即“母”相,精确控制地转换成多个不同的子相。
纳米颗粒阵列的工程相变
可以使用各种类型的重编程链选择性地触发对相同粒子组合的不同阶段或配置的转换。出处:布鲁克海文国家实验室
Gang说,这与由外部物理条件(如压力或温度)驱动的相变非常不同,后者通常会导致单相位移,有时是连续的相变。Gang说:“在这种情况下,要从A阶段过渡到C阶段,首先要从A阶段过渡到B阶段,然后从B阶段过渡到C阶段。”“我们的方法允许我们选择我们想要的子阶段,然后直接进入那个阶段,因为子阶段完全由我们使用的DNA重编程链的类型决定。”
科学家能够观察的结构转换各种女儿阶段使用了一种叫做国家同步原位小角x射线散射光源,另一个美国能源部科学办公室用户设施的布鲁克海文实验室从1982年到去年9月(产生x射线现在取而代之的是NSLS-II亮10000倍)。研究小组还利用计算模型计算了不同类型的重编程链如何改变粒子间的相互作用,发现他们的计算结果与他们的一致

 
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