研究人员揭示了对纳米粒子生长习性的实时一瞥

研究人员首次观察到纳米粒子自组装和结晶成固体材料的过程。在该团队制作的新视频中，可以看到粒子如雨点般落下，沿着楼梯翻滚并四处滑动，最后卡入到位，形成水晶标志性的堆叠层。

在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的Qian Chen和西北大学的Erik Lutijen的带领下，这项研究使用液相透射电子显微镜和计算模型获得了前所未有的纳米分辨率自组装过程视图。该团队表示，这些新见解可用于设计新材料，包括用于电子应用的薄膜。

研究结果发表在《自然纳米技术》杂志上。

在这项工作之前，研究人员使用显微镜观察微米大小的胶体颗粒——比纳米颗粒大 10 到 100 倍——自组装成晶体。还有关于原子、分子或离子结构单元的广泛理论，它们比纳米粒子小 10 到 100 倍。然而，研究人员表示，在中间纳米尺度上存在知识差距。

改进液相 TEM 的最新进展使得实时观察纳米粒子形成固体材料成为可能。Chen 的团队花了数年时间优化该过程，以确保电子束可以在不损坏粒子的情况下观察粒子。

“此前，我们的团队解决了成核之谜，即由数十个纳米粒子组成的晶体胚胎是如何形成的，”领导实验工作的伊利诺伊大学香槟分校材料科学与工程教授陈说。“随着液相 TEM 和数据科学的进步，在这项工作中，我们现在可以捕捉和跟踪数以千计的纳米粒子随时间的运动。”

在这项新研究中，研究人员使用不同形状的纳米粒子——立方体、球体和锯齿状的立方体——来探索形状如何影响行为。

“我们知道原子使用类似的方案组装成晶体，但我们从未见过实际的生长过程，”领导该研究的理论和计算部分的西北大学材料科学与工程教授 Luijten 说。“现在我们看到它聚集在一起，就在我们眼前。通过观察纳米粒子，我们观察到比原子大但比胶体小的粒子。所以，我们已经完成了长度尺度的整个范围。我们正在填补缺失的长度。”

在伊利诺伊州研究生 Binbin Luo、Chang Liu、Ahyoung Kim 和 Zihao Ou 的实验中，粒子发生碰撞，粘在一起形成层。颗粒形成水平层，然后垂直堆叠形成逐层晶体结构。有时，在彼此粘附后，颗粒会短暂分离并落到下面的一层上。他们通过先进的计算机模拟进一步可视化晶体形成，验证了来自不同大小颗粒的独特组装结构的普遍趋势。

“我们使用的不同形状的纳米粒子在液体中摆动并相互进行不同的交流。我们从数百个液相 TEM 电影中对它们的生长行为进行了采样，以首次获得统一的理解，”前伊利诺伊州研究生、该研究的第一作者、目前在陶氏化学公司工作的罗说。

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“电影中嵌入了大量信息，”目前就读于斯坦福大学的前伊利诺伊州研究生 Ou 说。“我们教我们的计算机随着时间的推移自动提取位置、形状和它们组装成的网络，使我们能够将电影转化为可量化的物理参数。”

Kim 曾是伊利诺伊州的研究生，目前在加州大学伯克利分校工作，他说纳米粒子的一个独特优势是它们的形状和表面化学性质可以通过合成轻松改变。陈组的研究生刘补充说：“我们研究了立方体、球体和锯齿状的立方体;它们相互追逐时扩散不同，导致晶体的最终形状不同。”

Luijten 表示，这些信息将有助于工程师设计新材料。这种洞察力可以帮助设计通常用于制造柔性电子产品、发光二极管、晶体管和太阳能电池的薄膜材料。

“了解粒子如何聚集在一起将使我们能够控制表面的形状，”Luijten 说。“你想要平坦的还是粗糙的表面?改变粒子形状或粒子下落的速度会影响表面。”

Chen 还隶属于伊利诺伊大学的材料研究实验室、化学、化学和生物分子工程、Carl R. Woese 基因组生物学研究所和Beckman 高级科学技术研究所。