“一件大事”——物理学家解开了20年的稳定手性纳米结构之谜

诸平

Fig. 1 The new nanomaterial could have useful optical, mechanical, and electronic characteristics.

Fig. 2 Theoretical physicist Alex Travesset uses computer models, equations, and scientific figures to explain how nanostructures assemble. Credit: Christopher Gannon/Iowa State University

据美国爱荷华州立大学（Iowa State University）2022年12月27日报道，物理学家解开了20年的稳定手性纳米结构之谜（“A Big Deal” – Physicists Solve 20-Year Mystery of Stable Chiral Nanostructures）。这种新型纳米材料可能具有有用的光学、机械和电子特性。

研究人员终于成功地构建了一种长期寻求的纳米颗粒结构，为具有特殊性能的新材料打开了大门。

亚历克斯·特拉弗赛特（Alex Travesset）没有一个闪闪发光的研究实验室，里面没有最先进的仪器来探测新的纳米材料和测量它们的独特性能。

亚历克斯·特拉弗赛特是爱荷华州立大学的物理学和天文学教授，也是美国能源部艾姆斯国家实验室（U.S. Department of Energy’s  Ames National Laboratory）的附属机构，他没有使用传统的实验室仪器，而是依靠计算机模型、方程和图形来理解新型纳米材料的行为。

当他加入一个研究项目时，他经常使用这些计算方法对纳米颗粒组装进行详细分析。亚历克斯·特拉弗赛特在理论物理方面的专业知识使他能够对纳米材料中复杂的工作过程提供有价值的见解和理解。

一个恰当的例子: 亚历克斯·特拉弗赛特的“手性四面体（Chiral Tetrahedra）”计算和插图是刚刚发表在《自然》（Nature）杂志上的一篇研究论文的一部分。这些计算表明，在固体硅衬底上，含有四面体形状的金纳米颗粒的溶液的受控蒸发是如何组装成风车状的两层结构的。详见Shan Zhou, Jiahui Li, Jun Lu, Haihua Liu, Ji-Young Kim, Ahyoung Kim, Lehan Yao, Chang Liu, Chang Qian, Zachary D. Hood, Xiaoying Lin, Wenxiang Chen, Thomas E. Gage, Ilke Arslan, Alex Travesset, Kai Sun, Nicholas A. Kotov, Qian Chen. Chiral assemblies of pinwheel superlattices on substrates. Nature, Published: 28 November 2022. Volume 612, pages 259–265. DOI: 10.1038/s41586-022-05384-8. https://www.nature.com/articles/s41586-022-05384-8

事实证明，纳米结构是手性的，这意味着它与它的镜像不相同。最经典的例子是一只手和它的倒影。拇指在相反的两侧，所以一只手不能叠加在另一只手上,这就是手性。

亚历克斯·特拉弗赛特说，生产一种具有手性的稳定纳米结构是一件大事。

近20年来，研究人员一直在尝试组装手性纳米结构，这与研究纳米结构的时间差不多。根据《自然》杂志的论文，这种结构可能会导致具有“不同寻常的光学、机械和电子特性”的特殊工程材料。

亚历克斯·特拉弗赛特在一次虚拟科学会议上被介绍给了来自伊利诺伊大学香槟分校(University of Illinois Urbana-Champaign)的该项目的主要研究人员，他甚至不确定这种新的手性结构是否存在于现实世界中。

他说：“这是一个非常开放的结构。通常，对于纳米颗粒，这些结构永远不稳定。”

但这一个是“由不同类型的静电力结合在一起的，”亚历克斯·特拉弗赛特说，“它们的连续性是不同寻常的。”

这种结构的手性是通过被夹在两种不同的基材中而实现的——顶部是空气，底部是固体表面。密歇根大学（University of Michigan）的光学测量证实了手性，报告了对偏振光的响应中非常强烈的手性光学效应。

亚历克斯·特拉弗赛特说：“这种具有手性光学响应的非常开放的结构非常重要。很长时间以来，人们一直在尝试这样做。但这种结构一直不稳定或无法实现。这是实现这一目标的第一个例子。”

这又是一件大事（Again, a big deal）

“作为一名研究纳米粒子的理论家，我一直对如何组装具有手性的纳米粒子很感兴趣，”亚历克斯·特拉弗赛特说。

根据《自然》杂志的论文，这些手性纳米结构的“独特的拓扑和物理”，“使它们的自组装纳米颗粒受到高度追捧，但具有挑战性”。

亚历克斯·特拉弗赛特说，研究小组的实验人员将以他们的发现为基础，了解更多关于纳米结构的特性，以及它们如何被用于光学应用的涂层。

亚历克斯·特拉弗赛特说，纳米粒子理论学家在研究他们的模型、方程和图形时，还有很多工作要做。他说：“尽管取得了一些成功，但理论在某种程度上还是落后了。我们还不能仅仅从理论/计算模型设计纳米颗粒基材料。事实上，我和其他同事正在组织一个为期八周的研讨会( eight-week workshop)来应对这一挑战。”

这项研究由美国能源部（US Department of Energy）资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

The unique topology and physics of chiral superlattices make their self-assembly from nanoparticles highly sought after yet challenging in regard to (meta)materials1,2,3. Here we show that tetrahedral gold nanoparticles can transform from a perovskite-like, low-density phase with corner-to-corner connections into pinwheel assemblies with corner-to-edge connections and denser packing. Whereas corner-sharing assemblies are achiral, pinwheel superlattices become strongly mirror asymmetric on solid substrates as demonstrated by chirality measures. Liquid-phase transmission electron microscopy and computational models show that van der Waals and electrostatic interactions between nanoparticles control thermodynamic equilibrium. Variable corner-to-edge connections among tetrahedra enable fine-tuning of chirality. The domains of the bilayer superlattices show strong chiroptical activity as identified by photon-induced near-field electron microscopy and finite-difference time-domain simulations. The simplicity and versatility of substrate-supported chiral superlattices facilitate the manufacture of metastructured coatings with unusual optical, mechanical and electronic characteristics.