阿贡国家实验室
APS的12-ID光束线，在这里进行了这项研究的X射线研究
鸣谢:阿贡国家实验室左 由西北大学和密歇根大学领导的一个研究小组开发了一种将粒子组装成胶体阚洪岩粒子的新方法，这是一种用于化学和生物传感和光检测设备的重要材料
使用这种方法，该团队首次展示了这些晶体是如何以自然界中没有的方式设计出来的
研究小组使用了美国的先进光子源(APS)
S
能源部(DOE)科学办公室用户设施在能源部的阿贡国家实验室，以确认他们的关键发现
“强大的X射线束能够实现高分辨率测量，这是您研究这种组件所需要的
美国物理学会是进行这项研究的理想机构，”阿贡国家实验室的Byeongdu Lee说
“我们已经发现了制造新材料系统的一些基本原理，”查德·A
乔治·B·米尔金
西北大学温伯格艺术与科学学院的化学教授
“这种打破对称性的策略改写了材料设计和合成的规则
" 这项研究是由米尔金和沙伦·C
安东尼·格洛策
该论文发表在《自然材料》杂志上
胶体晶体是非常小的颗粒，其他更小的颗粒(称为纳米颗粒)以有序或对称的方式排列在其中
它们可以被设计用于从光传感器和激光到通信和计算的应用
为了这项研究，科学家们试图打破自然界的自然对称性，这种对称性倾向于以最对称的方式排列微小的颗粒
“想象你在一个盒子里堆篮球，”阿贡的Byeongdu Lee说，他是APS的一个小组领导人，也是这篇论文的作者
“你会有一种特定的方式来实现空间的最大价值
这是大自然的方式
" 然而，李说，如果球瘪了一些，你可以用不同的方式堆叠它们
他说，研究小组正试图对纳米材料做同样的事情，教它们自我组装成新的图案
在这项研究中，科学家使用了DNA，细胞内携带遗传信息的分子
科学家们已经对DNA有了足够的了解，能够对它进行编程以遵循特定的指令
这个研究小组使用DNA来教授金属纳米粒子组装成新的结构
研究人员将DNA分子附着在不同大小的纳米粒子表面，发现较小的粒子在它们之间的间隙中围绕较大的粒子移动，同时仍然将粒子结合在一起成为一种新的材料
“使用大小纳米粒子，其中较小的粒子像金属原子晶体中的电子一样四处移动，这是一种构建复杂胶体晶体结构的全新方法，”Glotzer说
通过调整这种DNA，科学家们改变了小电子等效粒子的参数，从而改变了最终的晶体
“我们探索了更复杂的结构，其中控制每个粒子周围邻居的数量会产生进一步的对称破坏，”Glotzer说
“我们的计算机模拟帮助破译了复杂的图案，揭示了纳米粒子创造它们的机制
" 这种方法为三种新的、以前从未合成过的结晶相创造了条件，其中一种还没有已知的天然等价物
“胶体粒子集合在自然原子系统中总是有一些相似之处，”李说
“这一次我们发现的结构是全新的
它组装的方式，我们没有见过金属，金属合金或其他材料以这种方式自然组装
" “我们还不知道这种材料的物理特性，”李说
“现在我们把它交给材料科学家来创造和研究这种材料
" 研究小组使用超高亮度的X射线束来确认他们晶体的新结构
他们在光束线5-ID和12-ID处使用高分辨率小角X射线散射仪器来创建他们所创建的粒子排列的精确图片
李博士说:“强大的X射线束可以实现研究这种装配所需的高分辨率测量。”
“APS是进行这项研究的理想设备
" APS目前正在进行大规模升级，Lee指出这将允许科学家在未来确定更复杂的结构
12-ID的仪器也正在升级，以充分利用更亮的X射线束
这些低对称性胶体晶体具有其他晶体结构无法实现的光学特性，可能会在广泛的技术领域得到应用
它们的催化性能也不同
但是，既然打破对称性的条件已经被理解，这里揭示的新结构仅仅是可能性的开始
“我们正处于一个前所未有的材料合成和发现的时代，”米尔金说
“这是把新的、未经探索的材料从写生簿中带出来并应用到可以利用它们稀有和不寻常的特性的应用中的又一步
"
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