麻省理工今日Nature:由納米顆粒超晶格組裝的宏觀材料

【引言】
納米顆粒組裝已經被提出作為一種理想的方法來構建材料的層次組織,通過選擇納米尺度的組件來自下而上構建整個材料。多尺度結構控制是非常可取的,這是源于化學組成、納米尺度順序、微觀結構和宏觀形式都影響物理性質。然而,通常決定納米顆粒有序的化學相互作用,并不能提供任何在更大長度尺度上操縱結構的手段。微觀結構和宏觀形態仍然是未充分探索的設計參數,開發能夠將單個自組裝結構結合成宏觀的加工技術,將是開發在所有尺寸狀態下具有完全結構控制的納米顆粒的重要步驟。因此,基于納米顆粒的材料開發需要在不犧牲其自組裝納米級排列的情況下,定制微觀和宏觀結構的加工策略。其中,納米復合技術(NCT)非常適合生產此類分層材料,源于其固有的可伸縮成分組成,并使用動態結合相互作用來決定納米顆粒如何排列成有序陣列。每個NCT均由覆蓋有聚合物的無機納米顆粒組成,其中每個聚合物鏈均終止于超分子結合基團。將溶劑分散的NCT與互補結合基團混合后,超分子相互作用將顆粒組裝成更大的結構。由于將NCT連接在一起的超分子相互作用是動態的,因此通過其解離溫度冷卻一系列NCT,可使它們組織成有序的超晶格。然而,由于聚合物鏈在干燥過程中迅速收縮,之前試圖從組裝溶劑中去除晶格的嘗試導致了晶格的混亂。因此,從這些NCTs中形成獨立的宏觀固體,首先需要一些方法來穩定它們,以防止在溶劑去除過程中的順序損失。
今日,美國麻省理工學院 Robert J. Macfarlane教授課題組(通訊作者)提出通過逐漸引入與聚合物發生不利相互作用的非溶劑來穩定晶格,以防止聚合物塌陷,與該非溶劑的相互作用將導致鏈采用較致密的構型并使晶格收縮。從而演示了快速組裝以克為單位的多面納米顆粒超晶格微晶的方法,利用此方法這些晶體可以類似于塊狀固體的燒結,進一步形成宏觀物體。該方法的關鍵是:控制納米顆粒組裝的化學相互作用在后續處理步驟中保持活性,這使得在形成宏觀材料時,可以保留顆粒的局部納米級有序性。可以根據超晶格微晶的尺寸,化學組成和晶體對稱性來調整固體的納米結構和微觀結構,微觀結構和宏觀結構可以通過后續的加工步驟進行控制。因此,這項工作提供了一種通用的方法,可以同時控制分子到宏觀長度尺度上的結構組織。相關研究成果以“Macroscopic materials assembled from nanoparticle superlattices”為題發表在Nature上。
【圖文導讀】

圖一、在長度范圍內跨越七個數量級進行結構控制


圖二、NCT超晶格多面體的形成


圖三、微觀結構的控制


、成分,納米級有序性和微觀結構的獨立控制

文獻鏈接:“Macroscopic materials assembled from nanoparticle superlattices(Nature,202110.1038/s41586-021-03355-z)


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