科學(xué)家解釋了為什么有些分子會(huì)自發(fā)地排列成五片納米級(jí)餅
小規(guī)模消失的材料被用于醫(yī)藥,電子,制造業(yè)和許多其他應(yīng)用。但是科學(xué)家只是從頭開始了解如何在納米級(jí)上控制構(gòu)建基塊,而在納米級(jí)上,只有像病毒一樣大小的簡(jiǎn)單機(jī)器才能運(yùn)行。
現(xiàn)在,由PNNL材料科學(xué)家李東升領(lǐng)導(dǎo)的一組研究人員以及密歇根大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院的合作者,已經(jīng)揭開了最有用的納米結(jié)構(gòu)之一的秘密:五重雙胞胎。他們的研究描述了為什么以及如何形成這種形狀的研究在《科學(xué)》雜志上進(jìn)行了詳細(xì)介紹,并在2019年12月5日的材料研究學(xué)會(huì)年度會(huì)議上進(jìn)行了介紹。
五折雙胞胎結(jié)構(gòu)的橫截面像切成五個(gè)完全對(duì)稱的碎片的餡餅一樣,向全世界展示。具有這種結(jié)構(gòu)的納米材料已被證明具有有用的性能,并已被廣泛用于醫(yī)學(xué)研究中以精確標(biāo)記癌性腫瘤以進(jìn)行成像和跟蹤,以及在電子學(xué)中因其機(jī)械強(qiáng)度而受到重視。
“由五重孿晶域組成的天然和合成納米粒子具有獨(dú)特的性質(zhì),”領(lǐng)導(dǎo)該研究團(tuán)隊(duì)的李說。“但是這些五重孿晶納米粒子的形成機(jī)理了解得很少。我們第一次直接實(shí)時(shí)觀察到五重孿晶的形成,并確定了它們形成的機(jī)理。”
電子顯微鏡顯示納米晶體自組裝成五邊形多邊形。圖片提供:PNNL的Karyn Hede
自從科學(xué)家學(xué)會(huì)了如何在納米級(jí)上操縱分子以來,他們就注意到材料趨于聚集成某些幾何形狀:金屬絲,管子,球體和立方體都幾乎不需要干預(yù)就能形成。但為什么?
該研究小組結(jié)合使用了高分辨率透射電子顯微鏡和分子動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù),以探究結(jié)構(gòu)為何如此形成。在大多數(shù)情況下,納米結(jié)構(gòu)形成的速度太快,無法使用實(shí)驗(yàn)成像技術(shù)捕獲它們。在這里,研究小組采用了巧妙的策略:將分子包裹在糖蜜狀的有機(jī)基質(zhì)中,迫使分子移動(dòng)得更慢,并且觀察到200多次形成事件,捕獲了該過程的所有關(guān)鍵步驟。他們發(fā)現(xiàn)了兩種形成五重孿晶納米結(jié)構(gòu)的不同機(jī)制,兩者都是通過累積和消除應(yīng)變而形成的,從而消除了所有應(yīng)變的理想形狀。
他說:“我們研究出的機(jī)制是晶體生長(zhǎng)的常見途徑,廣泛發(fā)生在金屬,半導(dǎo)體,有機(jī)物和生物礦物相等各種系統(tǒng)中。” “因此,從我們的觀察中學(xué)到的知識(shí)可能會(huì)推廣到各種各樣的材料上。”
現(xiàn)在,研究人員已經(jīng)掌握了塑造結(jié)構(gòu)的基本作用力,他們希望能夠?qū)⒏喾N材料引導(dǎo)到這種非常有用的餅形中。
他說:“我們希望能夠設(shè)計(jì)出尺寸和形態(tài)可控的納米結(jié)構(gòu),并調(diào)整其性能。”
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