微米和纳米科技材料

人造纳米颗粒超越了自然复杂性

人造纳米颗粒超越了自然复杂性

花粉上的尖刺结构可以阻止彼此的黏连。(网图)

《科学》杂志近日报道,美国密歇根大学领导的国际研究小组制造出了超越自然界复杂性的超复杂人造微粒。此外,他们还研究了复杂性的产生,并设计了复杂性的评价方法。该成果有望为液体-粒子的稳定混合,以及全息投影设备的制造奠定基础。

在微米、纳米级的微观尺度上,生物学是复杂性的伟大创造者,它缔造了花粉、免疫细胞和病毒这些具有尖刺结构的物体。在此次新合成的复杂粒子的尺度上,最复杂的天然粒子是颗石藻。这种直径只有几微米的藻类因其复杂的石灰岩壳体为闻名。为了更好地理解、控制颗石藻的生长规则,科学家们一直希望在实验室中对它们进行复制。然而,还没有正式的方法可以用于衡量结果的复杂性。

密歇根大学材料科学与高分子工程学教授、项目负责人Nicholas Kotov说:“数字统治着世界,它能够严格描述带刺结构的形态和数量复杂性。由此,我们才能使用人工智能和机器学习等新工具来设计纳米粒子。”

除密歇根大学的研究人员的贡献外,巴西圣卡洛斯联邦大学、圣保罗大学、加州理工学院和宾夕法尼亚大学的研究人员使用新框架证实,新造粒子比颗石藻更复杂——圣卡洛斯联邦大学化学教授Andre Farias de Moura领导的计算小组,研究了粒子的量子特性,以及纳米构筑块上的作用力。

研究人员认为,新粒子产生复杂性的关键因素之一可能是“手性”。他们将半胱氨酸涂覆在纳米级硫化金薄片上,引入了手性。此外,研究人员还利用扁平的纳米颗粒,制造出了扁平的带刺结构。通过引入带电分子,纳米结构在斥力的作用下,自组装成了直径超过数百纳米的大型粒子。Kotov解释说:“定律之间经常互相冲突,纳米粒子为了同时满足所有定律,不得不表现出复杂性。”

复杂性的用途非常广泛。例如,花粉上的纳米级尖刺会阻止它们聚集。类似的,研究人员制造的这种带刺颗粒,几乎可以分散在任何液体中。这种特性对于调配稳定的固体-液体混合物(如油漆)非常有效。

带有扭曲尖刺的微粒还能吸收紫外线,并发射出圆偏振可见光。de Moura说:“圆偏振可见光的发射研究是项目中最困难的部分之一。”从实验和模拟结果来看,似乎是粒子中心吸收了紫外线能量,并通过量子力学的相互作用进行了转换。当能量离开时,就变成了圆偏振可见光。

研究人员表示,他们的发现或能帮助科学家们设计新型微观粒子,改善生物传感器、电子学和化学反应效率。

编译:雷鑫宇 审稿:阿淼 责编:张梦

期刊来源:《科学》

期刊编号:0036-8075

原文链接:https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-04/uom-wmc040920.php

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