Nature子刊：形状影响的金超晶格有序性

【引语】

纳米晶组装模拟了原子组装成了晶体，组装成大尺度组装体对于装置应用是及其重要的。目前可以将30-70nm金纳米晶组装的直径达到微米。不同于原子组装的晶体，纳米晶体有尺寸，形状和颗粒之间相互作用。一个通常的理论关于形状对于组装的影响是，紧密堆砌的超晶格通常是由短链配体的大纳米晶得到的。然而，形状对于组装过程的影响和组装体质量的影响不清楚的。

【成果简介】

2017年1月19日，Nature Communications 发表了密歇根大学安娜堡分校的 Prof. Sharon C. Glotzer（通讯作者）和中科院国家纳米中心的唐智勇研究员（通讯作者）的“Shape-dependent ordering of gold nanocrystals into large-scale superlattices”文章。在这篇文章中，研究人员将各种不同形状纳米晶组装成超晶格，分析了晶体质量和形状的作用，并对超晶格的形成过程进行了计算机模拟。

图1.大尺度金超晶体SEM图片

(a). 菱形十二面体大号金纳米晶SEM

(b). 菱形十二面体中号金纳米晶SEM

(c). 菱形十二面体小号金纳米晶SEM

(d). 八面体金纳米晶SEM

(e). 立方体金纳米晶SEM

(f). 球形金纳米晶SEM

图2. 用SEM和SAXS分析纳米晶超晶格

(a-d). 菱形十二面体金纳米晶形成面心立方超晶格

(e-h). 八面体金纳米晶形成两种晶型：六方(e,g)和单斜(e,h)

(i,j). 立方体金纳米晶形成立方

(k). 更大范围的超晶格薄膜

(l-p). 组装体的二维SAXS

(q-u). 组装体的径向平均SAXS图像

除了(i) 200 nm (k) 10um，其他的scale bar是100nm

图3.Monte Carlo刚性颗粒模拟的纳米晶

(a). 密度范围，其中使用从快速压缩到选定堆积密度的配置开始的等容模拟，对于每个颗粒形状发生均匀成核和生长。在密度和形状的网格矩形的计算系统平均局部为菱形十二面体，八面体，立方体和球体。

(b). 菱形十二面体，八面体，立方体和球体的均匀成核超晶格的早，中和后期生长。

(c). 成核时间，由Monte的数量测量卡罗循环系统达到20％结晶度。

(d). 生长时间，结晶度从20至80％所需的时间测量。

(e). 在密度低于发生均匀成核的硬边界附近平衡的有序层数。

图4. 结构影响超晶格结构

(a-c). 菱形十二面体超晶格的分析.  在模拟中，我们发现低密度的旋转（塑性）面心立方相(a),在旋转中猝灭也在SEM图像中观察到(b,c).

(d-j). 八面体超晶格的分析. 在模拟中，发现了Minkowski超晶格(d). 在实验中我们观察单斜超晶格,Minkowski 超晶格(e,f), 简单的六边形超晶格(g), 在模拟（i）和实验（j）单层八面体超晶格中的六边形包装中的壁.
(k). 不同晶格的包装密度和接触分数的比较.

(i,m). 立方体超晶格的分析. 模拟（i）和实验（m）都显示了快速傅立叶变换图像中的条纹

(f). Monte Carlo刚性颗粒，通常导致堆垛层错。 这是一个典型的最终快照。

【小结】

这项工作不仅提供了常规超晶格形成理论新的见解，通过仔细设计和选择纳米晶体形状也构建了高品质的纳米晶体超晶格。自组装过程可以在刚性颗粒模型的范围内完全再现和理解，这表明我们对形状因子的研究不仅限于金纳米晶体，而且是构建块形状和自组装过程之间的关系的固有特性，组装行为。考虑到可用的纳米晶体的丰富类型，包括半导体，氧化物，金属甚至混合纳米结构，我们的研究结果提供了建筑块选择的基本指南。 除了本研究中的四个模型形状之外，我们期望在设计用于自组装的纳米晶体中单独使用或与其它因素组合使用颗粒形状。这样的大尺寸和高质量的超晶格是研究等离子体晶体和超材料的很好的系统。

文献链接：Shape-dependent ordering of gold nanocrystals into large-scale superlattices（Nature Communications，2017，DOI: 10.1038/ncomms14038）

本文由材料人编辑部纳米学习小组学术武侠整理编译，点我加入材料人编辑部。

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