Nature子刊：斯坦福大学研究人员3D打印纳米颗粒，释放变形材料新的潜力

2024年3月27日，南极熊获悉，斯坦福大学的研究团队使用3D纳米打印技术制造了一种极有应用前景的形状之一——阿基米德截角四面体，这是一种带有截去顶部的微米级四面体。

相关研究以题为“Direct observation of phasetransitions in truncated tetrahedral microparticles under quasi-2D confinement “的论文被发表在《Nature Communications》期刊上。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46230-x

在论文中，Gu和她的合著者描述了他们如何对数以万计的这些具有挑战性的纳米颗粒进行纳米打印，将它们搅拌成溶液，然后观察它们自组装成各种有前途的晶体结构。更重要的是，只需将粒子重新排列成新的几何图案，这些材料就可以在几分钟内在状态之间转换。

这种改变“相”的能力，正如材料工程师所说的变形质量，类似于将铁变成回火钢的原子重排，或者允许计算机以数字形式存储数 TB 有价值数据的材料。她说：“如果我们能够学会控制由阿基米德截角四面体制成的材料中的这些相移，它可能会引领许多有前途的工程方向。”

△截角四面体的光学图像，在反相边界处形成两个大的六角形晶粒（左），并转变成在反相边界处开始的准金刚石相（右）。比例尺为 25 um。（图片来源：David Doan 和 John Kulikowski）

难以捉摸的纳米粒子

在纳米材料中，形状决定命运。也就是说，材料中颗粒的几何形状限定了所得材料的物理特性。阿基米德截角四面体 (ATT) 长期以来一直被认为是生产可轻松改变相的材料的最理想的几何形状之一，但直到最近，制造起来仍然具有挑战性——在计算机模拟中预测，但在现实世界中很难复制。

△形成多个六角形颗粒的截角四面体的光学图像（上）。键序分析通过不同的颜色显示出不同的六方晶粒（底部）。具有相同颜色的相邻四面体表明它们具有相同的晶粒取向。比例尺为 20 um。（图片来源：David Doan 和 John Kulikowski）

Gu的团队并不是第一个大量生产纳米级阿基米德截角四面体的团队，但他们是第一个使用 3D 纳米打印技术来实现这一点的。Gu解释道：“通过 3D 纳米打印，我们几乎可以制作任何我们想要的形状。我们可以非常仔细地控制颗粒形状。通过模拟预测这种特殊的形状会形成非常有趣的结构。当你能以各种方式将它们包装在一起时，它们就会产生有价值的物理特性。”

ATT 形成了至少两个非常理想的几何结构。第一种是六边形图案，其中四面体平放在基板上，其截头朝上，就像纳米级山脉一样。Gu说，第二种可能更有希望。它是一种晶体准金刚石结构，其中四面体以向上和向下的方向交替排列，就像放在鸡蛋盒中的鸡蛋一样。钻石排列被认为是光子学界的“圣杯”，可以引领许多新的、有趣的科学方向。

形成多个准金刚石颗粒的截角四面体的共焦图像（左）。键序分析通过交替颜色显示不同的准金刚石颗粒（右）。具有交替颜色（即蓝色和红色/棕色，或深蓝色和黄色）的相邻四面体表明它们具有相同的晶粒取向。比例尺为 20 um。（图片来源：David Doan 和 John Kulikowski）

然而，最重要的是，如果设计得当，由 3D 打印颗粒制成的未来材料可以快速重新排列，通过应用磁场、电流、热量或其他工程方法轻松地在相之间来回切换。

Gu表示她可以想象太阳能电池板的涂层可以全天变化以最大限度地提高能源效率，飞机机翼和窗户的新时代疏水薄膜意味着它们永远不会起雾或结冰，或者新型计算机内存。这样的例子不胜枚举。

Gu在谈到她已经在以新方式使用阿基米德截断四面体纳米粒子进行的最新研究时说道：“目前，我们正在努力使这些粒子具有磁性，以控制它们的行为，可能性才刚刚开始被探索。”

这项工作的其他合著者是博士生 David Doan 和 John Kulikowski。顾还是斯坦福 Bio-X 的成员。

这项工作由国家科学基金会、斯坦福大学研究生奖学金资助。DD、JK、赫尔曼基金会和国家科学基金会。这项工作的一部分是在美国国家科学基金会支持的斯坦福纳米共享设施和斯坦福细胞科学成像设施进行的。