要制造性能更优的材料，关键在于能否在最小尺度上更好地控制其结构。实现这一目标的一种特别有效的方式是使用纳米颗粒——它们具有高度可定制的形状和尺寸，并已经在能源、医药和电子等应用领域展现出潜力。
然而，将纳米颗粒转化为有用的新材料的过程一直受到一个难题的制约：很难控制每个颗粒与其相邻颗粒之间连接的数量和方向。研究人员曾尝试改变颗粒的形状，或精确排列颗粒之间刚性的连接链，但这两种方法都限制了纳米颗粒能够形成的材料结构，并且难以实现规模化。
一个包括麻省理工学院研究人员的团队正在采用一种不同的方法。研究人员开发出一种可调的方式，利用超柔性的连接分子来调控纳米颗粒网络的排列方式，这些连接分子会根据周围环境有意地发生形变。在今天发表于《自然材料》（Nature Materials）期刊的一篇论文中，研究人员展示了如何利用连接分子的柔性和电荷来调节网络结构，并运用该技术创造出新型的纳米颗粒基材料。
这种方法有望为光子学、化学催化、医药、农业等领域创造高性能材料提供一条更具多样性的途径。
“人们对纳米颗粒超晶格感兴趣，是因为它承诺可以构建出设计师式的材料，让我们在这些材料能够形成的结构类型上拥有更多的话语权，”麻省理工学院材料科学与工程系理查德·P·西蒙斯（1953届）冶金学教授罗布·麦克法兰（Rob Macfarlane）说道。“这是纳米颗粒组装领域此前从未被研究过的一种新方法。拥有一个如此反直觉的新工具令人兴奋。这与过去20年的主流观点完全相反——人们一直认为连接配体必须是刚性的，任何偏差都会导致组装失败。而我们证明，如果把这一思路反过来推向另一个极端，效果同样出色。”
与麦克法兰共同撰写这篇论文的还有麻省理工学院博士生尼古拉斯·斯巴尔比（Nicholas Sbalbi）；特拉华大学博士生斯蒂芬·克罗嫩伯格（Stephen Kronenberger）；麻省理工学院本科生花名崎（Hana Shinzawa）；2026届博士马修·叶（Matthew Ye）；以及特拉华大学前教授阿尔蒂·贾亚拉曼（Arthi Jayaraman）。
更灵活的结构
材料科学中的一个基本真理是：材料的结构决定其功能。
“这意味着，如果你知道你的构建单元是什么，以及它们是如何排列的，你就能解释材料具有哪些性质，”麦克法兰说。“控制这一点，正是制造出具有新性质材料的方法。”
纳米颗粒为科学家提供了一种灵活的构建单元，用以制造具有所需性质的材料，单个纳米颗粒已经被应用于药物递送、储能、计算和传感等多种领域。但由于纳米颗粒往往会紧密地堆积在一起，将它们组装成更大的结构一直是一项挑战。
为了克服这一挑战，研究人员将纳米颗粒制成不同的形状，从而改变它们的连接方式。他们也可以只让颗粒表面的特定部分具有黏性，从而形成不同的图案。
“这两种方法面临的共同挑战是，在制造颗粒时很难通过合成实现这些效果，”麦克法兰解释道。“已开发出的定义黏性的方法，往往都是量身定制的：它们只适用于一种材料、一种尺寸尺度、一种条件。这对研究而言是不错的，但你无法用它做太多事情。”
这两种方法还都要求位于纳米颗粒表面的连接分子（称为配体）保持刚性，以便它们维持在研究人员所需的特定角度，从而保持想要的构型，这进一步限制了它们的功能性。
在新的研究中，研究人员希望将这种方法彻底反转。
“我们想，‘不如反过来做：让连接键变得非常柔韧，以至于它们最初指向哪个方向都不重要。’这样配体就可以在颗粒聚拢时重新排布，而这种重新排布本身就限制了每个颗粒能够结合的邻居数量，”麦克法兰说。
麦克法兰的研究团队多年来一直在开发利用聚合物接枝来制造不同种类颗粒的方法。他们新系统中的纳米颗粒拥有带电荷尖端的柔性配体，一些带正电荷，另一些带负电荷。异种电荷相互吸引，因此配体会弯曲以与带相反电荷的配体相连。
“这个想法是，我们不再通过复杂的合成方法去规定连接键将朝哪个具体方向形成，而是说，‘连接键将按照它们自己想要的程度变得柔韧，并自发地达到能使键的稳定性最大化的任意价态，’”麦克法兰说。
在由斯巴尔比主导的实验中，研究人员证明，他们可以通过改变纳米颗粒的尺寸和配体链的长度来控制这些连接。他们还利用这项技术，将纳米颗粒组装成了此前从未见过的晶体结构。
“无需预先设计颗粒连接的位置或其形状，我们就能控制每个颗粒的连接键数量，”麦克法兰解释道。“聚合物的柔韧程度决定了它拥有多少连接键。这使我们能够降低每个颗粒的连接键数量，并制造出我们前所未见的晶格结构。”
一条通向可定制材料的新路径
麦克法兰认为，这一系统是将定制化纳米颗粒基材料从研究实验室推向现实世界应用的一步。
“在纳米颗粒组装领域，我们一直在讨论要对颗粒本身的属性以及它所形成的组装结构实现完全独立的控制，”麦克法兰说。“理论上，这应该是可行的。但在现实中，情况绝非如此。”
更广泛地说，研究人员指出，他们的方法确立了配体柔韧性作为一种新的途径，用以实现可大规模定制的材料结构。
“纳米颗粒超晶格提供了一种创造设计师材料的方式，让你的构建单元具备各种独特的性质，”麦克法兰说。“但如果只是将这些纳米颗粒密集地堆积在一起，就会限制其应用范围。这项技术提供了一种获得密度较低的纳米颗粒排列方式的方法，而许多有趣的应用正蕴藏在这种低密度结构之中。”
这项工作部分获得了美国国家科学基金会、美国能源部、美国陆军和美国海军的支持。该研究部分借助麻省理工学院纳米实验室（MIT.nano）的设施完成。
