Nature子刊：斯坦福大學研究人員3D打印納米顆粒，釋放變形材料新的潛力

2024年3月27日，南極熊獲悉，斯坦福大學的研究團隊使用3D納米打印技術制造了一種極有應用前景的形狀之一——阿基米德截角四面體，這是一種帶有截去頂部的微米級四面體。

相關研究以題為“Direct observation of phasetransitions in truncated tetrahedral microparticles under quasi-2D confinement “的論文被發(fā)表在《Nature Communications》期刊上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46230-x

在論文中，Gu和她的合著者描述了他們如何對數(shù)以萬計的這些具有挑戰(zhàn)性的納米顆粒進行納米打印，將它們攪拌成溶液，然后觀察它們自組裝成各種有前途的晶體結構。更重要的是，只需將粒子重新排列成新的幾何圖案，這些材料就可以在幾分鐘內在狀態(tài)之間轉換。

這種改變“相”的能力，正如材料工程師所說的變形質量，類似于將鐵變成回火鋼的原子重排，或者允許計算機以數(shù)字形式存儲數(shù) TB 有價值數(shù)據(jù)的材料。她說：“如果我們能夠學會控制由阿基米德截角四面體制成的材料中的這些相移，它可能會引領許多有前途的工程方向。”

△截角四面體的光學圖像，在反相邊界處形成兩個大的六角形晶粒（左），并轉變成在反相邊界處開始的準金剛石相（右）。比例尺為 25 um。（圖片來源：David Doan 和 John Kulikowski）

難以捉摸的納米粒子

在納米材料中，形狀決定命運。也就是說，材料中顆粒的幾何形狀限定了所得材料的物理特性。阿基米德截角四面體 (ATT) 長期以來一直被認為是生產可輕松改變相的材料的最理想的幾何形狀之一，但直到最近，制造起來仍然具有挑戰(zhàn)性——在計算機模擬中預測，但在現(xiàn)實世界中很難復制。

△形成多個六角形顆粒的截角四面體的光學圖像（上）。鍵序分析通過不同的顏色顯示出不同的六方晶粒（底部）。具有相同顏色的相鄰四面體表明它們具有相同的晶粒取向。比例尺為 20 um。（圖片來源：David Doan 和 John Kulikowski）

Gu的團隊并不是第一個大量生產納米級阿基米德截角四面體的團隊，但他們是第一個使用 3D 納米打印技術來實現(xiàn)這一點的。Gu解釋道：“通過 3D 納米打印，我們幾乎可以制作任何我們想要的形狀。我們可以非常仔細地控制顆粒形狀。通過模擬預測這種特殊的形狀會形成非常有趣的結構。當你能以各種方式將它們包裝在一起時，它們就會產生有價值的物理特性?！?/div>

ATT 形成了至少兩個非常理想的幾何結構。第一種是六邊形圖案，其中四面體平放在基板上，其截頭朝上，就像納米級山脈一樣。Gu說，第二種可能更有希望。它是一種晶體準金剛石結構，其中四面體以向上和向下的方向交替排列，就像放在雞蛋盒中的雞蛋一樣。鉆石排列被認為是光子學界的“圣杯”，可以引領許多新的、有趣的科學方向。

形成多個準金剛石顆粒的截角四面體的共焦圖像（左）。鍵序分析通過交替顏色顯示不同的準金剛石顆粒（右）。具有交替顏色（即藍色和紅色/棕色，或深藍色和黃色）的相鄰四面體表明它們具有相同的晶粒取向。比例尺為 20 um。（圖片來源：David Doan 和 John Kulikowski）

然而，最重要的是，如果設計得當，由 3D 打印顆粒制成的未來材料可以快速重新排列，通過應用磁場、電流、熱量或其他工程方法輕松地在相之間來回切換。

Gu表示她可以想象太陽能電池板的涂層可以全天變化以最大限度地提高能源效率，飛機機翼和窗戶的新時代疏水薄膜意味著它們永遠不會起霧或結冰，或者新型計算機內存。這樣的例子不勝枚舉。

Gu在談到她已經在以新方式使用阿基米德截斷四面體納米粒子進行的最新研究時說道：“目前，我們正在努力使這些粒子具有磁性，以控制它們的行為，可能性才剛剛開始被探索。”

這項工作的其他合著者是博士生 David Doan 和 John Kulikowski。顧還是斯坦福 Bio-X 的成員。

這項工作由國家科學基金會、斯坦福大學研究生獎學金資助。DD、JK、赫爾曼基金會和國家科學基金會。這項工作的一部分是在美國國家科學基金會支持的斯坦福納米共享設施和斯坦福細胞科學成像設施進行的。