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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

文章作者:www.cs-vaccine.com发布时间:2019-12-25浏览次数:1277

称为quasicrystal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第一次清晰观察。这一发现为这些奇怪的晶体结构如何出现提供了新的见解。 “单组分准晶晶格已在数学和计算机模拟中得到预测,但此前尚未得到证实,”布朗和该论文的高级作者,化学教授欧晨说。 “这是一种新的准晶体,我们已经能够找到制作它的规则,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体材料,他在2011年获得了诺贝尔奖。与由重复有序图案组成的晶体不同,准晶体是有序的,但它们的图案不会重复。准晶体也具有传统晶体无法实现的对称性。例如,普通晶体可以具有三重对称性,其发生在重复三角形或重复立方体的四重对称性。两倍和六倍的对称性也是可能的。然而,准晶体可以具有单一的5x,10x或12x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。迄今为止,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。但人们对制造新的准晶材料非常感兴趣 - 包括由自组装纳米粒子制成的材料。

陈和他的同事们没有开始研究准晶体。 Chen的大部分工作是通过使用纳米粒子构建块构建超结构来弥合纳米尺度和宏观世界之间的差距。大约两年前,他设计了一种新的纳米粒子构建块 - 四面体(金字塔)量子点。虽然纳米粒子建筑结构的大部分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,并且可以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)。当颗粒组装成更大的结构时,具有相似配体的面倾向于彼此结合。这种定向键合使得结构比缺乏各向异性的粒子更有趣和复杂。

在最近发表在“自然”杂志上的一项研究中,陈和他的团队展示了纳米粒子构建模块中最复杂的超级结构之一。在这项工作中,组装上层结构,同时粒子与固体基质相互作用。对于这项最新的工作,陈和他的同事希望看到颗粒在液体表面组装时会产生什么样的结构,从而使颗粒在组装时更加自由。团队震惊地发现最终结构实际上是一个准格子。 “当我意识到我正在看到一种准晶体模式时,我通过电子邮件发送,'我想我找到了一个超级大的',”陈龙实验室的博士后研究员康龙长冈和一篇新论文作者说。 “这真的令人兴奋。”

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

研究人员还可以了解其结构的“规则”。尽管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设地板。必须将瓷砖组装在一起以覆盖整个地板而不留任何间隙。这不能只用一个十边形来完成,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 - 它们需要一个填充十边形间隙的二次“瓷砖”。研究人员发现,他们的结构工作的原因是十边形具有灵活的边缘。如有必要,可以将其中一个或多个点弄平。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 - 无论填充的十边形之间的空间如何。 “这些装饰都在这个狭窄的空间里,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,研究人员可以开发出一种形成准晶体的新规则,他们称之为“柔性多边形”。商店规则。“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,甚至艺术和设计研究提供信息,“陈说。本文中Nagaoka和Chen的共同作者是Hua Zhu和Dennis Eggert。