被稱為準(zhǔn)晶體的奇怪材料有一個(gè)新成員。在12月20日星期四發(fā)表在“ 科學(xué)”雜志上的一篇論文中，布朗大學(xué)的研究人員描述了一種準(zhǔn)晶超晶格，它可以從單一類型的納米粒子構(gòu)建模塊中自組裝。

研究人員表示，這是對(duì)由單一成分形成的準(zhǔn)晶超晶格的首次明確觀察。這一發(fā)現(xiàn)為這些奇怪的水晶狀結(jié)構(gòu)如何出現(xiàn)提供了新的見解。

“單組分準(zhǔn)晶晶格已經(jīng)在數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)模擬中得到預(yù)測(cè)，但在此之前尚未得到證實(shí)，”布朗和該論文的資深作者，化學(xué)助理教授歐辰說。“這是一種全新的準(zhǔn)晶體，我們已經(jīng)能夠找出制造它的規(guī)則，這將有助于繼續(xù)研究準(zhǔn)晶體結(jié)構(gòu)。”

化學(xué)家Dan Shechtman在20世紀(jì)80年代首次發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)晶材料，他于2011年被授予諾貝爾獎(jiǎng)。與由重復(fù)的有序圖案組成的晶體不同，準(zhǔn)晶體是有序的，但它們的圖案不重復(fù)。準(zhǔn)晶體也具有傳統(tǒng)晶體無法實(shí)現(xiàn)的對(duì)稱性。例如，正常晶體可以具有從重復(fù)三角形出現(xiàn)的三重對(duì)稱性或者來自重復(fù)立方體的四重對(duì)稱性。兩倍和六倍對(duì)稱也是可能的。但是準(zhǔn)晶體可以具有奇異的5倍，10倍或12倍對(duì)稱性，所有這些都在正常晶體中被“禁止”。

發(fā)現(xiàn)的第一種準(zhǔn)晶材料是金屬合金，通常是含有一種或多種其他金屬的鋁。到目前為止，這些材料已被用作煎鍋的不粘涂層和外科設(shè)備的防腐涂層。但人們對(duì)制造新型準(zhǔn)晶材料非常感興趣 - 包括由自組裝納米顆粒制成的材料。

陳和他的同事最初沒有開始研究準(zhǔn)晶體。Chen的大部分工作都是通過用納米顆粒構(gòu)建塊構(gòu)建超結(jié)構(gòu)來彌合納米級(jí)和宏觀世界之間的差距。大約兩年前，他設(shè)計(jì)了一種新型納米粒子構(gòu)建模塊 - 四面體(金字塔形)量子點(diǎn)。盡管大多數(shù)關(guān)于納米顆粒建筑結(jié)構(gòu)的研究都是用球形顆粒完成的，但Chen的四面體可以更緊密地包裝并可能形成更復(fù)雜和堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)。

Chen的粒子的另一個(gè)關(guān)鍵特征是它們是各向異性的，這意味著它們具有不同的性質(zhì)，這取決于它們相對(duì)于彼此的取向。每個(gè)金字塔顆粒的一個(gè)面具有與所有其他面不同的配體(粘合劑)。當(dāng)顆粒組裝成較大的結(jié)構(gòu)時(shí)，具有相似配體的面傾向于彼此結(jié)合。與缺乏各向異性的顆粒相比，這種定向結(jié)合產(chǎn)生了更有趣和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

在最近發(fā)表在“ 自然 ”雜志上的研究中，陳和他的團(tuán)隊(duì)展示了迄今為止從納米顆粒構(gòu)建模塊中創(chuàng)建的最復(fù)雜的超結(jié)構(gòu)之一。在該工作中，組裝上層結(jié)構(gòu)，同時(shí)顆粒與固體基質(zhì)相互作用。對(duì)于這項(xiàng)最新的工作，陳和他的同事想要看看顆粒在液體表面上組裝時(shí)會(huì)產(chǎn)生什么樣的結(jié)構(gòu)，這使得顆粒在組裝時(shí)具有更大的自由度。

團(tuán)隊(duì)震驚地發(fā)現(xiàn)所得到的結(jié)構(gòu)實(shí)際上是一個(gè)準(zhǔn)晶格。

“當(dāng)我意識(shí)到我看到的模式是一種準(zhǔn)晶體時(shí)，我通過電子郵件發(fā)送了Ou，并說'我認(rèn)為我發(fā)現(xiàn)了一些非常棒的東西'，”陳氏實(shí)驗(yàn)室的博士后學(xué)者Yasutaka Nagaoka說道，他是新論文的第一作者。 。“這真的令人興奮。”

利用透射電子顯微鏡，研究人員將這些顆粒組裝成離散的十邊形(10邊多邊形)，將它們縫合在一起形成一個(gè)具有10倍旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的準(zhǔn)晶格。在普通晶體中禁止的10倍對(duì)稱性是準(zhǔn)晶體結(jié)構(gòu)的標(biāo)志。

研究人員還能夠理解其結(jié)構(gòu)形成的“規(guī)則”。雖然十邊形是結(jié)構(gòu)的主要單元，但它們不是 - 也不可能 - 是結(jié)構(gòu)中唯一的單元。形成準(zhǔn)晶體有點(diǎn)像鋪地板。瓷磚必須以覆蓋整個(gè)地板的方式裝配在一起，而不留任何間隙。這不能僅使用十邊形來完成，因?yàn)闆]有辦法將它們放在一起而不留下間隙。填充孔需要其他形狀。

這種新的準(zhǔn)晶體結(jié)構(gòu)也是如此 - 它們需要能夠填補(bǔ)十邊形間隙的二級(jí)“瓷磚”。研究人員發(fā)現(xiàn)，使其結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用的原因是，十邊形具有柔韌的邊緣。必要時(shí)，他們的一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)可以展平。通過這樣做，它們可以變成具有九個(gè)，八個(gè)，七個(gè)，六個(gè)或五個(gè)邊的多邊形 - 無論填充十邊形之間的空間是什么。

“這些裝飾在這個(gè)狹窄的空間里，他們必須和平分享，”陳說。“因此他們通過在需要時(shí)使其邊緣變得靈活來做到這一點(diǎn)。”

從這一觀察結(jié)果來看，研究人員能夠開發(fā)出一種形成準(zhǔn)晶體的新規(guī)則，他們稱之為“柔性多邊形平鋪規(guī)則”。陳說，這條規(guī)則將有助于繼續(xù)研究相對(duì)較新的準(zhǔn)晶體區(qū)域。

“我們認(rèn)為這項(xiàng)工作可以為材料科學(xué)，化學(xué)，數(shù)學(xué)甚至藝術(shù)和設(shè)計(jì)方面的研究提供信息，”陳說。