当微小的、均匀的积木相互作用并形成结构时,自组装合成材料就会聚集在一起。然而,大自然让不同大小和形状的蛋白质等材料组合在一起,允许复杂的结构可以处理多种任务。
伊利诺伊大学(University of Illinois)的工程师们仔细研究了非均匀合成粒子是如何组装的,并惊讶地发现它是在多个阶段发生的,这为太阳能电池和催化等技术中使用新的可重构材料打开了大门。
该研究结果发表在该杂志上自然通讯.
材料科学与工程教授、这项新研究的主要作者陈谦(音)说:“传统的自我组装可以被认为就像杂货店为了在农产品区展示而把苹果堆起来。”“他们需要使用大小和形状相似的苹果——或者在自我组装的情况下使用粒子——来使结构坚固。”
在新的研究中,陈的团队观察了不同尺寸和纳米厚度的微尺度银板在液体中的行为。研究人员说,因为用于自组装材料的粒子非常小,它们的行为就像原子和分子,这使得研究人员可以使用经典的化学和物理理论来理解它们的行为。
在普通去离子水中,非均匀粒子根据自然规律相互排斥和吸引。然而,当研究人员向水中添加盐时,改变静电力会触发一个多步骤的组装过程。研究小组发现,这些不均匀的粒子开始聚集,形成堆叠的银板柱,并进一步聚集成越来越复杂的有序的三维六边形晶格。
材料科学与工程研究生、该研究的合著者罗彬彬说:“我们实际上可以用光学显微镜看到粒子以这种层次结构组装。”“通过这种方式,我们可以一个一个地跟踪粒子运动,并实时研究组装动力学。”
材料科学与工程研究生、该研究的合著者Ahyoung Kim说:“这项研究的发现可能会使可重构自组装材料的发展成为可能。”“这些材料可以从一种类型的固体晶体转变为另一种类型,具有不同的性能,用于各种应用。”
“这一发现的另一个好处是,它可以推广到其他类型的系统,”陈说。“如果你有另一种类型的纳米颗粒,无论是磁性的还是半导体的,这种分层组装原理仍然适用,允许更多类型的可重构材料。”
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