麻省理工今日Nature:由纳米颗粒超晶格组装的宏观材料

CYM 4年前 (2021-03-25) 4428浏览

【引言】

纳米颗粒组装已经被提出作为一种理想的方法来构建材料的层次组织，通过选择纳米尺度的组件来自下而上构建整个材料。多尺度结构控制是非常可取的，这是源于化学组成、纳米尺度顺序、微观结构和宏观形式都影响物理性质。然而，通常决定纳米颗粒有序的化学相互作用，并不能提供任何在更大长度尺度上操纵结构的手段。微观结构和宏观形态仍然是未充分探索的设计参数，开发能够将单个自组装结构结合成宏观的加工技术，将是开发在所有尺寸状态下具有完全结构控制的纳米颗粒的重要步骤。因此，基于纳米颗粒的材料开发需要在不牺牲其自组装纳米级排列的情况下，定制微观和宏观结构的加工策略。其中，纳米复合技术（NCT）非常适合生产此类分层材料，源于其固有的可伸缩成分组成，并使用动态结合相互作用来决定纳米颗粒如何排列成有序阵列。每个NCT均由覆盖有聚合物的无机纳米颗粒组成，其中每个聚合物链均终止于超分子结合基团。将溶剂分散的NCT与互补结合基团混合后，超分子相互作用将颗粒组装成更大的结构。由于将NCT连接在一起的超分子相互作用是动态的，因此通过其解离温度冷却一系列NCT，可使它们组织成有序的超晶格。然而，由于聚合物链在干燥过程中迅速收缩，之前试图从组装溶剂中去除晶格的尝试导致了晶格的混乱。因此，从这些NCTs中形成独立的宏观固体，首先需要一些方法来稳定它们，以防止在溶剂去除过程中的顺序损失。

今日，美国麻省理工学院 Robert J. Macfarlane教授课题组（通讯作者）提出通过逐渐引入与聚合物发生不利相互作用的非溶剂来稳定晶格，以防止聚合物塌陷，与该非溶剂的相互作用将导致链采用较致密的构型并使晶格收缩。从而演示了快速组装以克为单位的多面纳米颗粒超晶格微晶的方法，利用此方法这些晶体可以类似于块状固体的烧结，进一步形成宏观物体。该方法的关键是：控制纳米颗粒组装的化学相互作用在后续处理步骤中保持活性，这使得在形成宏观材料时，可以保留颗粒的局部纳米级有序性。可以根据超晶格微晶的尺寸，化学组成和晶体对称性来调整固体的纳米结构和微观结构，微观结构和宏观结构可以通过后续的加工步骤进行控制。因此，这项工作提供了一种通用的方法，可以同时控制分子到宏观长度尺度上的结构组织。相关研究成果以“Macroscopic materials assembled from nanoparticle superlattices”为题发表在Nature上。

【图文导读】

图一、在长度范围内跨越七个数量级进行结构控制