康奈尔大学
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大自然可能厌恶真空，但它肯定喜欢结构
从双螺旋DNA分子到使蝴蝶翅膀如此绚丽多彩的光子晶体，复杂的自组织组件在自然界随处可见
康奈尔大学领导的一个项目创造了人造纳米团簇，可以模仿这种从纳米到厘米尺度的分级自组装，跨越7个数量级
由此产生的合成薄膜有潜力作为探索仿生分级系统和未来高级功能的模型系统
该小组的论文“纳米团簇中间相的多尺度层次结构”发表在4月14日的《自然材料》杂志上
以前，创造这种类型的合成纳米材料的最大障碍是缺乏纳米尺度的构建模块，这些模块具有必要的多功能性，可以在许多长度尺度上相互作用，使它们能够组织成复杂的结构，就像在生物分子中发现的那样
因此，由工程学院材料科学与工程副教授Richard Robinson和史密斯化学与生物分子工程学院教授Tobias Hanrath领导的一个团队转向硫化镉，一种用于纳米粒子研究的可靠材料
与以前合成该化合物的努力不同，该小组进行了一次高浓度的合成，使用了非常少的溶剂
这个过程产生了由57个原子组成的“神奇大小的团簇”，大约是1
5纳米长
每个纳米粒子都有一层配体——特殊的结合分子——可以相互作用，形成几微米长、几百纳米宽的细丝
根据罗宾逊的说法，这些细丝“周期性地用这些神奇大小的簇来装饰，就像汽车的高速公路一样，它们之间有着完美的间距。”
他说:“如果你从灯丝的前面往下看，从中心往下看，它是放射状的，也是六边形的。”
“因为这些结构细丝有吸引人的缠结，结果证明当它们在合适的条件下干燥时，它们会以长程有序的方式自我组装
" 值得注意的是，通过仔细控制蒸发的几何形状，细丝扭曲成数百微米长的更大的电缆，然后电缆捆绑在一起，排列成高度有序的带，最终形成厘米级图案的薄膜
“通常你无法合成从纳米到七个数量级以上的层次结构
我认为这真的是一种特殊的调味汁，”罗宾逊说
“这些组件模仿了许多有趣的自然产品——自然矿化、自然光子——这些都是自然界中发生的事情，我们无法在实验室中成功复制
" 有机和无机相互作用的混合赋予了魔术般大小的团簇产生具有完美周期图案的薄膜的能力
事实上，这种薄膜可以显示彩虹的整个光谱，这是研究人员证明了它的完美结构
“很可能人们以前没有见过这种情况，因为大多数合成都是在低浓度下进行的，所以你有很多溶剂
它们没有相同的配体-配体相互作用，”他说
“我们改变了这一点
我们将比例移动了小数点后一位，我们创造了这个无溶剂合成
" 纳米材料薄膜最有趣的方面之一是它显示了手性光学特性——偏振光的非对称吸收——这可能在纳米粒子水平上表现出来，并且这种特性一直放大到宏观尺度
这种薄膜与液晶也有一些惊人的相似之处
为了更好地理解自组织的行为，罗宾逊和汉瑞斯咨询了一组合作者
应用和工程物理学副教授Lena Kourkoutis操作电子显微镜，使研究小组能够看到纳米颗粒在细丝中的位置
材料科学与工程助理教授Julia Dshemuchadse从理论上解释了控制细丝组装和稳定性的规则
来自多伦多大学和罗切斯特理工学院的研究人员估计了导致团簇的电偶极子之间的相互作用，并开发了一个理论模型，分别显示了为什么蒸发方法导致纳米团簇形成如此完美的周期性薄膜
这种非凡的多尺度结构的发现为开发利用其新兴手性特性的技术开辟了新的途径
“这些手性超材料独特的光-物质相互作用可以用于一系列潜在的应用，从传感，催化和圆偏振光探测器到自旋电子学，量子计算和全息术的进一步前景，”汉拉特说
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