Nature子刊：斯坦福大學(xué)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(xué)的研究團(tuán)隊(duì)使用3D納米打印技術(shù)制造了一種極有應(yīng)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(guān)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?nèi)绾螌��?shù)以萬計(jì)的這些具有挑戰(zhàn)性的納米顆粒進(jìn)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(jié)構(gòu)。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(nèi)在狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。

這種改變“相”的能力，正如材料工程師所說的變形質(zhì)量，類似于將鐵變成回火鋼的原子重排，或者允許計(jì)算機(jī)以數(shù)字形式存儲數(shù) TB 有價(jià)值數(shù)據(jù)的材料。她說：“如果我們能夠?qū)W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(lǐng)許多有前途的工程方向�！�

△截角四面體的光學(xué)圖像，在反相邊界處形成兩個(gè)大的六角形晶粒（左），并轉(zhuǎn)變成在反相邊界處開始的準(zhǔn)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(yùn)。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(rèn)為是生產(chǎn)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(jì)算機(jī)模擬中預(yù)測，但在現(xiàn)實(shí)世界中很難復(fù)制。

△形成多個(gè)六角形顆粒的截角四面體的光學(xué)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(tuán)隊(duì)并不是第一個(gè)大量生產(chǎn)納米級阿基米德截角四面體的團(tuán)隊(duì)，但他們是第一個(gè)使用 3D 納米打印技術(shù)來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)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(xì)地控制顆粒形狀。通過模擬預(yù)測這種特殊的形狀會形成非常有趣的結(jié)構(gòu)。當(dāng)你能以各種方式將它們包裝在一起時(shí)，它們就會產(chǎn)生有價(jià)值的物理特性�！�

ATT 形成了至少兩個(gè)非常理想的幾何結(jié)構(gòu)。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(zhǔn)金剛石結(jié)構(gòu)，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(rèn)為是光子學(xué)界的“圣杯”，可以引領(lǐng)許多新的、有趣的科學(xué)方向。

形成多個(gè)準(zhǔn)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(zhǔn)金剛石顆粒（右）。具有交替顏色（即藍(lán)色和紅色/棕色，或深藍(lán)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(shè)計(jì)得當(dāng)，由 3D 打印顆粒制成的未來材料可以快速重新排列，通過應(yīng)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(jī)機(jī)翼和窗戶的新時(shí)代疏水薄膜意味著它們永遠(yuǎn)不會起霧或結(jié)冰，或者新型計(jì)算機(jī)內(nèi)存。這樣的例子不勝枚舉。

Gu在談到她已經(jīng)在以新方式使用阿基米德截?cái)嗨拿骟w納米粒子進(jìn)行的最新研究時(shí)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(xiàng)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(xiàng)工作由國家科學(xué)基金會、斯坦福大學(xué)研究生獎(jiǎng)學(xué)金資助。DD、JK、赫爾曼基金會和國家科學(xué)基金會。這項(xiàng)工作的一部分是在美國國家科學(xué)基金會支持的斯坦福納米共享設(shè)施和斯坦福細(xì)胞科學(xué)成像設(shè)施進(jìn)行的。