Nature子刊：形狀影響的金超晶格有序性

【引語】

納米晶組裝模擬了原子組裝成了晶體，組裝成大尺度組裝體對于裝置應用是及其重要的。目前可以將30-70nm金納米晶組裝的直徑達到微米。不同于原子組裝的晶體，納米晶體有尺寸，形狀和顆粒之間相互作用。一個通常的理論關于形狀對于組裝的影響是，緊密堆砌的超晶格通常是由短鏈配體的大納米晶得到的。然而，形狀對于組裝過程的影響和組裝體質量的影響不清楚的。

【成果簡介】

2017年1月19日，Nature Communications 發表了密歇根大學安娜堡分校的?Prof. Sharon C. Glotzer（通訊作者）和中科院國家納米中心的唐智勇研究員（通訊作者）的“Shape-dependent ordering of gold nanocrystals into large-scale superlattices”文章。在這篇文章中，研究人員將各種不同形狀納米晶組裝成超晶格，分析了晶體質量和形狀的作用，并對超晶格的形成過程進行了計算機模擬。

圖1.大尺度金超晶體SEM圖片

(a). 菱形十二面體大號金納米晶SEM

(b). 菱形十二面體中號金納米晶SEM

(c). 菱形十二面體小號金納米晶SEM

(d).?八面體金納米晶SEM

(e).?立方體金納米晶SEM

(f).?球形金納米晶SEM

圖2. 用SEM和SAXS分析納米晶超晶格

(a-d). 菱形十二面體金納米晶形成面心立方超晶格

(e-h). 八面體金納米晶形成兩種晶型：六方(e,g)和單斜(e,h)

(i,j). 立方體金納米晶形成立方

(k). 更大范圍的超晶格薄膜

(l-p). 組裝體的二維SAXS

(q-u). 組裝體的徑向平均SAXS圖像

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

圖3.Monte Carlo剛性顆粒模擬的納米晶

(a). 密度范圍，其中使用從快速壓縮到選定堆積密度的配置開始的等容模擬，對于每個顆粒形狀發生均勻成核和生長。在密度和形狀的網格矩形的計算系統平均局部為菱形十二面體，八面體，立方體和球體。

(b).?菱形十二面體，八面體，立方體和球體的均勻成核超晶格的早，中和后期生長。

(c). 成核時間，由Monte的數量測量卡羅循環系統達到20％結晶度。

(d).?生長時間，結晶度從20至80％所需的時間測量。

(e). 在密度低于發生均勻成核的硬邊界附近平衡的有序層數。

圖4. 結構影響超晶格結構

(a-c). 菱形十二面體超晶格的分析. ?在模擬中，我們發現低密度的旋轉（塑性）面心立方相(a),在旋轉中猝滅也在SEM圖像中觀察到(b,c).

(d-j). 八面體超晶格的分析. 在模擬中，發現了Minkowski超晶格(d).?在實驗中我們觀察單斜超晶格,Minkowski 超晶格(e,f),?簡單的六邊形超晶格(g), 在模擬（i）和實驗（j）單層八面體超晶格中的六邊形包裝中的壁.
(k).?不同晶格的包裝密度和接觸分數的比較.

(i,m). 立方體超晶格的分析. 模擬（i）和實驗（m）都顯示了快速傅立葉變換圖像中的條紋

(f). Monte Carlo剛性顆粒，通常導致堆垛層錯。 這是一個典型的最終快照。

【小結】

這項工作不僅提供了常規超晶格形成理論新的見解，通過仔細設計和選擇納米晶體形狀也構建了高品質的納米晶體超晶格。自組裝過程可以在剛性顆粒模型的范圍內完全再現和理解，這表明我們對形狀因子的研究不僅限于金納米晶體，而且是構建塊形狀和自組裝過程之間的關系的固有特性，組裝行為。考慮到可用的納米晶體的豐富類型，包括半導體，氧化物，金屬甚至混合納米結構，我們的研究結果提供了建筑塊選擇的基本指南。?除了本研究中的四個模型形狀之外，我們期望在設計用于自組裝的納米晶體中單獨使用或與其它因素組合使用顆粒形狀。這樣的大尺寸和高質量的超晶格是研究等離子體晶體和超材料的很好的系統。

文獻鏈接：Shape-dependent ordering of gold nanocrystals into large-scale superlattices（Nature Communications，2017，DOI: 10.1038/ncomms14038）

本文由材料人編輯部納米學習小組學術武俠整理編譯，點我加入材料人編輯部。

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