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化學家們從納米粒子構建塊中創造出新的準晶體材料

文章作者:www.utbltn.icu發布時間:2019-12-25瀏覽次數:1277

稱為quasicrystal的奇怪材料有一個新成員。在12月20日星期四發表在“科學”雜志上的一篇論文中,布朗大學的研究人員描述了一種準晶體超晶格,它可以從單一類型的納米粒子構建塊中自組裝。

研究人員表示,這是對由單一成分形成的準晶超晶格的第一次清晰觀察。這一發現為這些奇怪的晶體結構如何出現提供了新的見解。 “單組分準晶晶格已在數學和計算機模擬中得到預測,但此前尚未得到證實,”布朗和該論文的高級作者,化學教授歐晨說。 “這是一種新的準晶體,我們已經能夠找到制作它的規則,這將有助于繼續研究準晶體結構。”

化學家Dan Shechtman在20世紀80年代首次發現了準晶體材料,他在2011年獲得了諾貝爾獎。與由重復有序圖案組成的晶體不同,準晶體是有序的,但它們的圖案不會重復。準晶體也具有傳統晶體無法實現的對稱性。例如,普通晶體可以具有三重對稱性,其發生在重復三角形或重復立方體的四重對稱性。兩倍和六倍的對稱性也是可能的。然而,準晶體可以具有單一的5x,10x或12x對稱性,所有這些都在正常晶體中被“禁止”。發現的第一種準晶材料是金屬合金,通常是鋁和一種或多種其他金屬。迄今為止,這些材料已被用作煎鍋的不粘涂層和外科設備的防腐涂層。但人們對制造新的準晶材料非常感興趣 - 包括由自組裝納米粒子制成的材料。

陳和他的同事們沒有開始研究準晶體。 Chen的大部分工作是通過使用納米粒子構建塊構建超結構來彌合納米尺度和宏觀世界之間的差距。大約兩年前,他設計了一種新的納米粒子構建塊 - 四面體(金字塔)量子點。雖然納米粒子建筑結構的大部分研究都是用球形顆粒完成的,但Chen的四面體可以更緊密地包裝,并且可以形成更復雜和堅固的結構。陳氏顆粒的另一個關鍵特征是它們具有各向異性,這意味著它們具有不同的性質,這取決于它們相對于彼此的取向。每個金字塔顆粒的一個面具有與所有其他面不同的配體(粘合劑)。當顆粒組裝成更大的結構時,具有相似配體的面傾向于彼此結合。這種定向鍵合使得結構比缺乏各向異性的粒子更有趣和復雜。

在最近發表在“自然”雜志上的一項研究中,陳和他的團隊展示了納米粒子構建模塊中最復雜的超級結構之一。在這項工作中,組裝上層結構,同時粒子與固體基質相互作用。對于這項最新的工作,陳和他的同事希望看到顆粒在液體表面組裝時會產生什么樣的結構,從而使顆粒在組裝時更加自由。團隊震驚地發現最終結構實際上是一個準格子。 “當我意識到我正在看到一種準晶體模式時,我通過電子郵件發送,'我想我找到了一個超級大的',”陳龍實驗室的博士后研究員康龍長岡和一篇新論文作者說。 “這真的令人興奮。”

研究人員利用透射電子顯微鏡將顆粒組裝成離散的十邊形(10邊多邊形),并將它們縫合在一起,形成一個具有10倍旋轉對稱性的準晶格。普通晶體中禁止的10倍對稱性是準晶體結構的標志。

研究人員還可以了解其結構的“規則”。盡管十邊形是結構的主要單元,但它們不是 - 也不可能 - 是結構中唯一的單元。形成準晶體有點像鋪設地板。必須將瓷磚組裝在一起以覆蓋整個地板而不留任何間隙。這不能只用一個十邊形來完成,因為沒有辦法將它們放在一起而不留下間隙。填充孔需要其他形狀。

這種新的準晶體結構也是如此 - 它們需要一個填充十邊形間隙的二次“瓷磚”。研究人員發現,他們的結構工作的原因是十邊形具有靈活的邊緣。如有必要,可以將其中一個或多個點弄平。通過這樣做,它們可以變成具有九個,八個,七個,六個或五個邊的多邊形 - 無論填充的十邊形之間的空間如何。 “這些裝飾都在這個狹窄的空間里,必須和平共享,”陳說。 “因此,他們通過在需要時使其邊緣變得靈活來做到這一點。”從這一觀察結果來看,研究人員可以開發出一種形成準晶體的新規則,他們稱之為“柔性多邊形”。商店規則。“陳說,這條規則將有助于繼續研究相對較新的準晶體領域。”我們認為這項工作可以為材料科學,化學,數學,甚至藝術和設計研究提供信息,“陳說。本文中Nagaoka和Chen的共同作者是Hua Zhu和Dennis Eggert。

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