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科学家解释了为什么有些分子会自发地排列成五片纳米级饼

小规模消失的材料被用于医药,电子,制造业和许多其他应用。但是科学家只是从头开始了解如何在纳米级上控制构建基块,而在纳米级上,只有像病毒一样大小的简单机器才能运行。

现在,由PNNL材料科学家李东升领导的一组研究人员以及密歇根大学和中国科学院的合作者,已经揭开了最有用的纳米结构之一的秘密:五重双胞胎。他们的研究描述了为什么以及如何形成这种形状的研究在《科学》杂志上进行了详细介绍,并在2019年12月5日的材料研究学会年度会议上进行了介绍。

科学家解释了为什么有些分子会自发地排列成五片纳米级饼

五折双胞胎结构的横截面像切成五个完全对称的碎片的馅饼一样,向全世界展示。具有这种结构的纳米材料已被证明具有有用的性能,并已被广泛用于医学研究中以精确标记癌性肿瘤以进行成像和跟踪,以及在电子学中因其机械强度而受到重视。

“由五重孪晶域组成的天然和合成纳米粒子具有独特的性质,”领导该研究团队的李说。“但是这些五重孪晶纳米粒子的形成机理了解得很少。我们第一次直接实时观察到五重孪晶的形成,并确定了它们形成的机理。”

电子显微镜显示纳米晶体自组装成五边形多边形。图片提供:PNNL的Karyn Hede

自从科学家学会了如何在纳米级上操纵分子以来,他们就注意到材料趋于聚集成某些几何形状:金属丝,管子,球体和立方体都几乎不需要干预就能形成。但为什么?

该研究小组结合使用了高分辨率透射电子显微镜和分子动力学模拟技术,以探究结构为何如此形成。在大多数情况下,纳米结构形成的速度太快,无法使用实验成像技术捕获它们。在这里,研究小组采用了巧妙的策略:将分子包裹在糖蜜状的有机基质中,迫使分子移动得更慢,并且观察到200多次形成事件,捕获了该过程的所有关键步骤。他们发现了两种形成五重孪晶纳米结构的不同机制,两者都是通过累积和消除应变而形成的,从而消除了所有应变的理想形状。

他说:“我们研究出的机制是晶体生长的常见途径,广泛发生在金属,半导体,有机物和生物矿物相等各种系统中。” “因此,从我们的观察中学到的知识可能会推广到各种各样的材料上。”

现在,研究人员已经掌握了塑造结构的基本作用力,他们希望能够将更多种材料引导到这种非常有用的饼形中。

他说:“我们希望能够设计出尺寸和形态可控的纳米结构,并调整其性能。”

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