Nature子刊：首次實現納米棒超晶格結構對稱性的可控設計

葉嵐山 6年前 (2017-11-21) 4808瀏覽

【引言】

隨著納米技術的快速發展，納米顆粒自組裝在生物鑒定、光電器件、太陽能電池等領域展示出了卓越的性能。因此，在過去的20多年里，各位科學工作者對納米顆粒自組裝進行了深入研究，在實現低缺陷密度、大面積及組裝過程可控方面均取得了巨大的進步，但組裝結構設計還面臨很大的挑戰。組裝對稱性調控作為結構設計中最重要的一個環節，可實現超晶格的多樣化，豐富納米材料的功能性應用。一般而言，由于形狀互補性，組裝結構對稱性受到組裝單元的形貌限制。因此，探索一種新的合成方法，滿足組裝動力學過程中組裝單元間的復雜力平衡和熱力學最小原理的要求，突破形狀依賴的組裝結構對稱性的限制，成為亟待解決的問題。

【成果簡介】

近日，國家納米科學中心和中國科學院納米科學卓越中心劉前課題組與國家納米科學中心吳曉春課題組、國家納米科學中心鄧珂課題組以及美國科羅拉多大學Ivan I. Smalyukh課題組（共同通訊作者）在Nature Communications上發表了最新研究成果“Symmetry control of nanorod superlattice driven by a governing force”，研究人員通過引入一種新概念的主導控制力，首次實現了金納米棒（GNRs）的四方對稱性組裝，一舉突破了一直以來八面體金棒只能是形狀依賴的六方對稱結構的實驗結果。這一結果也在八面體銀和鈀納米棒上得到了實現，展示了這種方法的普適性。多尺度模擬計算進一步揭示這種控制力主導了非形狀依賴的組裝過程，并很好的解釋了四方對稱比六方對稱具有更高的熱力學穩定性的實驗結果。這種方法對不同納米顆粒的組裝具有指導性意義，開辟了實現多種可設計、可控組裝結構的新途徑。

【圖文導讀】

圖一 R6G調控組裝的GNRs四方對稱結構超晶格

 

a) 六方對稱結構, b) 四方對稱結構GNRs超晶格SEM圖（內部右側從上至下依次為：晶胞參數、3D模型、FFT圖像，scale bar為200nm）；

c) FC GNRs, d) PC GNRs的LSPR峰位與R6G加入量的變化曲線；

e) 水溶液中FC GNRs、PC GNRs的SERS圖譜；

f) 水溶液中FC GNRs、PC GNRs的電動電勢與R6G加入量的變化曲線；

g) R6G、CTAB在GNRs表面的吸附示意圖。

圖二 熱穩定性增強的四方對稱GNRs超晶格

a-c) 六方對稱GNRs超晶格分別在25℃、150℃、210℃熱處理后的SEM圖；

d-f) 四方對稱GNRs超晶格分別在25℃、150℃、210℃熱處理后的SEM圖；

g) 四方對稱GNRs超晶格在260℃~310℃熱處理后的SEM圖；

h) 六方對稱和四方對稱超晶格的能態變化示意圖。

（圖c中scale bar為2μm，其他均為200nm）

圖三 超晶格中相互作用的多尺度模擬計算

a) GNR二聚體中靜電力和范德華力之間的相互作用示意圖；

b) GNR二聚體俯視圖；

c) 依據DFT方法模擬由R6G鏈形成的GNR二聚體示意圖；

d) 存在R6G的GNR二聚體之間勢能變化曲線；

e) 左上：四方對稱結構超晶格的晶胞TEM圖，左下：四方對稱結構超晶格的側視TEM圖，右：左下紅色框內的HRTEM圖；

f) 四方和六方對稱超晶格中二聚體晶胞結構模型示意圖；

g) 四方和六方對稱超晶格中單位面積的能量隨{110}/{110}面積比的變化曲線。

圖四 R6G誘導的Ag、Pd四方對稱超晶格和場增強效應

a) AgshelllAucore NRs TEM圖（scale bar為20nm）；

b) AgshelllAucore NRs HAADF-STEM圖和元素分布圖；

c) AgshelllAucore NRs四方對稱超晶格SEM 圖（scale bar為160nm）；

d) PdshelllAucore NRs TEM圖（scale bar為20nm）；

e) PdshelllAucore NRs HAADF-STEM圖和元素分布圖；

f) PdshelllAucore NRs四方對稱超晶格SEM 圖（scale bar為150nm）；

g) GNR四方對稱超晶格在785nm下電場強度增強模擬圖（插圖：3D模型）；

h) 多層GNR四方對稱超晶格俯視SEM圖（scale bar為200nm）；

i) 多層GNR四方對稱超晶格側視SEM圖（scale bar為150nm）；

j) GNR四方對稱超晶格層與層之間堆疊示意圖。

【小結】

實現納米顆粒自組裝結構對稱性的可調控，對未來的納米組裝技術具有重要意義。本文采用通過引入一種新的主導控制力的方法，首次實現了金納米棒（GNRs）的四方對稱性組裝，突破一直以來八面體金棒只能是形狀依賴的六方對稱結構的實驗結果。這種四方對稱結構超晶格具有更高的熱穩定性和場增強效應。這一方法開辟了一條打破形狀依賴組裝對稱性的新途徑，為組裝結構的多樣性和納米材料組裝結構的可設計、可控提供了有力工具，將為推動納米組裝技術的進步提供助力。

文獻鏈接：Symmetry control of nanorod superlattice driven by a governing force (Nat. Commun. , 2017, DOI: 10.1038/s41467-017-01111-4)

本文由材料人編輯部納米學術組朱喜月供稿，材料牛編輯整理。

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