刘前课题组非形状依赖对称性纳米棒组装研究获得重要进展
发布时间：2017-11-10
微纳加工方法主要分为“自上而下”和“自下而上”两种基本类型。前者是目前广泛应用于微纳加工领域的主流技术，但其由于受到物理极限的制约，一般加工分辨率在几十纳米量级上。后者则可在更小的尺度（包括分子尺度）上实现加工，被认为是一种突破物理限制的有效途径。然而，“自下而上”的组装方法由于科学认知和实验技术的不足，导致其在低缺陷、大面积、组装过程、组装结构等四个方面存在持续的挑战。相对而言，组装结构面临的障碍最大。这其中，一个最重要问题是如何实现组装对称性的可调控。组装对称性可调控对于组装结构多样性和组装体功能的丰富无疑是非常重要的。一般而言，由于形状互补性，组装结构对称性受到组装单元的形貌限制，四方单元易于形成四方密排结构，而球型则形成六方密排对称结构。由于在组装动力学过程中组装单元间的复杂力平衡和热力学最小原理的要求，打破形状依赖的组装结构对称性似乎是一个难以实现的目标。
中科院纳米系统与多级次制造重点实验室刘前课题组与吴晓春课题组、邓珂课题组以及美国科罗拉多大学Ivan I. Smalyukh课题组合作，通过引入一种新概念的主导控制力，首次实现了纳米金棒的四方对称性组装，一举突破了一直以来八面体金棒只能是形状依赖的六方对称结构的实验结果。这一结果也在八面体银和钯纳米棒上得到了实现，展示了这种方法的普适性。多尺度模拟计算进一步揭示这种控制力主导了非形状依赖的组装过程，并很好的解释了四方对称比六方对称具有更高的热力学稳定性的实验结果。这种方法开辟了一条打破形状依赖组装对称性的新途径，为组装结构的多样性和纳米材料组装结构的可设计、可控提供了了有力工具，将为推动纳米组装技术的进步提供助力。
该工作是刘前课题组前期研究（Nanoscale, 2014, 6, 3064；Langmuir 2013, 29, 6232；Chem. Commun., 2012, 48, 2128； Langmuir 2011, 27, 11394）的进一步拓展，已于 11月10 日在线发表在《自然·通讯》（Nature Communications 2017, 10, 13743）。文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-017-01111-4。该工作获得了国家重点研发计划纳米科技重点专项、中科院战略性先导科技专项A、国家基金委和欧盟项目的支持。
图 多尺度模拟计算揭示四方对称的主导控制力和更小的热力学势能