| 多少多面体银纳米晶体可以组合成毫米大小的超晶(supercrystals),这个问题不需要费多少唇舌,但是,它的答案却很重要,因为可以用于当今最热门的高新科技领域,就是等离子体(plasmonics)领域。 美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的研究人员已经打开一扇大门,可以用更简单的方法制备等离子体材料,只需诱导多面体形态的银纳米晶体进行自组装,形成三维超晶,这种超晶具有最高的密度。 等离子体就是这样一种现象,其中,光束被限制于超窄空间,使它可以被操纵,以做一些事情,这是开放空间的光束做不到的。这种现象拥有巨大潜力,可用于超高速计算机,也可以使显微镜观察纳米级物体时采用可见光,甚至可以创造隐形地毯。然而,开发等离子体技术有一个重大挑战,就是难以制造超材料,这种材料在贵金属与电介质之间有纳米尺寸的接触面。 杨培东(Peidong Yang)是伯克利实验室材料科学部的化学家,他领导研究银纳米晶体的各种多面体形状,这种晶体可自组装,形成奇特的超级结构,只需一种简单的沉淀技术,要依靠重力。这是迄今首次演示,通过沉淀形成如此大尺寸的银超晶,描述性论文发表在《自然•材料》杂志,题为《自组装均匀多面体银纳米晶体形成致密组合和奇特超晶格》(Self-assembly of uniform polyhedral silver nanocrystals into densest packings and exotic superlattices)。杨培东也任职于加州大学伯克利分校(University of California Berkeley)化学系和材料科学与工程系,他是论文的通讯作者。 超晶显微图,属于银多面体纳米晶体,右图是对应示意图,自上而下分别显示它们至密组合的方块,截面方块和八面体方块。 来源:伯克利实验室 “通过实验和计算机模拟,我们已经表明,一系列高度均匀的纳米级银多面体晶体,可以自组装,形成一些结构,经计算,这种结构是这些形状的最密集组合,”杨培东说。“此外,在八面体情况下,我们表明,控制聚合物浓度,使我们可以协熟悉的晶格结构与新颖组合结构,新结构具有复杂的螺旋图案。” 示意图显示的多面体形状是用银多元醇合成,是杨培东等开发的。来源:伯克利实验室 来源: 在《自然•材料》上的论文中,杨培东和合著者描述了一种多元醇(polyol)合成技术,用这种技术生成的银纳米晶体,具有各种形状,包括方块、截面方块、八面体方块,截面八面体和八面体的尺寸范围是100到300纳米。这些均匀多面体纳米晶体随后放入溶液中,它们就会自组装,形成致密超晶,大约25平方毫米大小,这是依靠重力沉淀。虽然这一组装过程可在主体溶液中进行,但是,让组装发生在微阵列波道储液器中,就使杨培东和他的合作者可以精确控制超晶格尺寸。 “在典型的实验中,稀释的纳米粒子溶液被倒入储液器,然后倾斜,使粒子逐步沉降,并在储液器底部组装,”杨培东说。“更浓的溶液或更高的倾斜角度,会使这种组装更快成形。” 这些组装产生于沉淀过程,显示出既有平移次序,也有旋转次序,都具有超长尺度。在方块情况下,截面八面体和八面体,就是这些致密超晶结构,精确对应于它们的致密晶格组合。虽然沉淀驱动的组装并不新颖,但是,杨培东说,这是这种技术第一次用于大尺度组装高度均匀的多面体粒子。 “在我们的实验中,关键因素是粒子的形状,我们发现,有一个特点更容易控制,”杨培东说。“对比球形粒子的晶体结构,多面体致密组合的特点是更高的敛集率(packing fractions),粒子之间更大的接触面,以及不同几何形状的空位和间隙,这将确定这些材料的电学和光学性质。” 杨培东和他的同事们所用的银纳米晶体是优异的等离子体材料,可用于表面增强应用。使纳米晶体组装成三维超晶,就使它们可用作超材料,这种超材料具有独特的光学性质,这就使等离子体技术如此诱人。 杨培东说:“我们的自组装工艺,用于这些银多面体纳米晶体,可以使我们获得一系列有趣、可扩展的纳米结构材料,它们的尺寸可媲美散装材料。” |





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