布朗大學的研究人員從金字塔形納米顆粒構(gòu)建塊組裝了復雜的宏觀超大結(jié)構(gòu)。這項研究在“ 自然 ”雜志上有所描述，展示了一種將納米粒子的有用特性帶入宏觀材料和器件的有希望的新方法。

“用球形納米顆粒制造超結(jié)構(gòu)已經(jīng)進行了大量的研究，但使用四面體結(jié)構(gòu)單元的情況要少得多，”布朗化學助理教授，該研究的資深作者歐晨說。“Tetrahedra開辟了制造更復雜結(jié)構(gòu)的可能性，我們在這里展示的3D超結(jié)構(gòu)是有史以來最復雜的單納米粒子組件之一。”

Chen的研究小組在一年前開發(fā)了研究中使用的構(gòu)建模塊。粒子是量子點 - 納米級半導體，可以吸收和發(fā)射光。Chen說，當使用它們構(gòu)建更大的結(jié)構(gòu)時，它們的四面體(金字塔狀)形狀比球體具有重要的優(yōu)勢。四面體可以與球體相比具有更少的空隙空間，從而使結(jié)構(gòu)更加堅固。此外，研究中使用的顆粒是各向異性的，這意味著它們具有不同的性質(zhì)，這取決于它們相對于彼此的取向。另一方面，球體在每個方向上都是相同的。

在四面體量子點的情況下，通過用與其他小平面不同的配體(化學鍵合劑)處理每個金字塔的一個平面或小平面來產(chǎn)生各向異性。

“當兩個顆粒相互結(jié)合時，配體有助于指導觸摸過程，”陳氏集團的博士后研究員，該項目的主要貢獻者Yasutaka Nagaoka說。“在這種情況下，具有相似配體的小平面會吸引，這可以控制粒子如何自我排列。”

這與各向同性球體形成對比，各向同性球體隨機排列。

“與使用各向同性球體相比，各向異性增加了我們可以制造的超結(jié)構(gòu)的復雜性，”陳說。“它還為我們提供了一些控制超晶體中粒子原子排列的能力，這可能會產(chǎn)生有趣的特性。例如，你可以預測，對準將產(chǎn)生更好的電子特性，因為電子更容易跳過晶格上層建筑。“

在他們的研究中，陳和他的同事將四面體量子點溶解在溶液中，然后讓粒子組裝成三種不同類型的超結(jié)構(gòu)：一維鏈，二維晶格和三維超晶。

陳說，3D超晶體特別有趣，因為它們的復雜性和它們形成的有趣方式。單個納米顆粒首先形成每個36個顆粒的球狀簇。然后，這些集群形成了更大的上層建筑。當研究人員使用X射線散射對結(jié)構(gòu)進行詳細描述時，他們發(fā)現(xiàn)晶格的原子結(jié)構(gòu)確實是正確的，正如他們所希望的那樣。

現(xiàn)在他們已經(jīng)展示了形成結(jié)構(gòu)的方法，下一步是詢問它們的屬性。

“量子點構(gòu)建塊本身很有趣，”陳說。“它們具有有趣的光子動力學，這可能轉(zhuǎn)化為上層結(jié)構(gòu)中有趣的光學特性。

“我們需要了解如何組裝這些更大更復雜的結(jié)構(gòu)，”他說。“我認為這些將成為將納米級動力學帶入宏觀尺度并實現(xiàn)新型超材料和器件的橋梁。”