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内梳结构复合体
图形变成风车结构。在纳米尺度上制造这些扭曲结构的能力可以应用于传感、机器视觉等领域。图片来源:S. Zhou等，Nature, DOI: 10.1038/s41586-022-05384-8
一种新发现的风车结构——由金字塔形的纳米颗粒自组装而成——可能使独特的材料特性在机器视觉、装甲、化学和生物传感等领域发挥作用。
研究摘要:基板上风车超晶格的手性组装(DOI: 10.1038/s41586-022-05384-8)
这一发现来自伊利诺伊大学和密歇根大学领导的一项研究合作。
这种纳米材料的一个关键特性是手性，一种从DNA的双螺旋到螺旋星系的自然界中普遍存在的扭曲。大自然利用手性可靠地设计非常复杂和动态的系统，包括所有生物。然而，在纳米尺度上重建这些扭曲的结构并不容易。伊利诺伊大学材料科学与工程教授、《自然》杂志这篇论文的共同通讯作者陈谦说，研究人员一直依赖于生成非常小的结构的模板，限制了它们在纳米工程材料设计中的用途。
该团队决定探索金字塔形状的粒子作为积木的可能性，之前的研究表明，它们会根据环境的不同而改变自己的排列模式。
电子显微镜图像显示纳米金字塔沉降成风车图案。在纳米尺度上制造这些扭曲结构的能力可以应用于传感、机器视觉等领域。图片来源:S. Zhou等，Nature, DOI: 10.1038/s41586-022-05384-8
利用图论，密歇根大学的Nicholas Kotov，化学科学与工程的欧文·朗缪尔教授和论文的共同通讯作者，以及密歇根大学化学工程博士后研究员陆俊和金志勇预测，当这些粒子的排列是手性的时，复杂结构就会出现——就像在生命系统中一样。
科托夫说:“观察到手性和实用性之间的紧密关系是令人惊讶的。”“一旦粒子层具有手性，它就获得了新的有用的性质。”
然后，陈和她的团队用金纳米颗粒制作出了这种结构，使它们能够在漂浮在硅片上的水基溶液的微小液滴中自我组装。随着液体的干燥，金字塔自组装到平面上。
如果粒子不带电荷，它们就会形成一个不具有手性的蜂窝状结构。但电荷使这些微小的金字塔相互间稍微转动了一下，将蜂巢扭曲成一个重复的风车结构。
该研究的第一作者、前伊利诺斯州博士后研究员周山(Shan Zhou)说:“由此产生的晶格足够大，可以用肉眼看到。”周山目前是南达科他州矿业与技术学院纳米科学和生物医学工程助理教授。
虽然晶格可以用肉眼看到，但100纳米边长的金字塔的组装却不可见。陈设置了一个电子显微镜来观察液滴。事实上，这个反馈使研究小组能够调整电荷以得到风车图案。
随着液滴变干，纳米颗粒会形成风车状的图案。在纳米尺度上制造这些扭曲结构的能力可以应用于传感、机器视觉等领域。图片来源:S. Zhou等，Nature, DOI: 10.1038/s41586-022-05384-8
“液相电子显微镜允许我们进一步研究超晶格组合，”陈说。
然而，在普通的实验室里，测量风车的扭转如何影响光是不可能的。问题是，风车图案不是一个连续的设计——它被分解成更小的领域，就像城市地图上的社区。它们被平均分为右转和左转。当光线穿过它时，它不会像所有的风车都指向同一个方向时那样产生强烈的扭曲。由于畴宽为0.005毫米，即使是激光也不够小，无法聚焦在单个光子上。
“最大的挑战是描述和理解超晶格的手性，”Lu说。
研究小组不得不将风车样本带到阿贡国家实验室，用激光和电子显微镜进行测量。激光提供的扭曲光紧紧聚焦在几个畴上，当用超快电子显微镜观察时，与扭曲相匹配的畴基本上是被照亮的。
彩色电子显微镜图像(蓝色和橙色)
x射线衍射图显示了风车结构。在纳米尺度上制造这些扭曲结构的能力可以应用于传感、机器视觉等领域。图片来源:S. Zhou等，Nature, DOI: 10.1038/s41586-022-05384-8
阿贡纳米材料中心的研究员刘海华帮助测量了风车晶格的手性，他说:“没有人能够用其他技术直接看到如此小长度物体的手性反应。”
未来的工作将探索如何实现仅向一个方向扭转的晶格，然后将这些手性组合转化为一系列的应用。科托夫建议使用病毒生物传感器和“智能的”适应性催化剂，利用蜂巢结构向风车结构的快速转变。
这种动态重构也可以用于机器视觉，比如自动驾驶汽车上的激光雷达，它依靠扭曲的光线来实现深度感知。该研究的合著者、密歇根大学的物理学副教授孙凯(Kai Sun)说，风车晶格在设计战斗头盔和飞机等方面具有潜在的用处。
“风车晶格的有趣行为可以超越它们的脊椎反应，”艾奥瓦州立大学教授亚历克斯·特拉维斯特(Alex Travesset)说，他为风车晶格进行了几何计算。
海军研究办公室通过多学科大学研究计划支持这项研究。
Kotov还是化学工程Joseph B.和Florence V. Cejka教授，材料科学与工程和大分子科学与工程教授。
