MIT科学家发现利用柔性纳米颗粒制造更强材料的新方法

这种柔性组装方法简化了面向医学、能源和光子学的定制材料的规模化制造。

麻省理工学院（MIT）和特拉华大学的研究人员通过证明纳米颗粒组装并不需要刚性分子连接件，推翻了一条存在了二十年的纳米技术规则。

科学家此前认为，柔性连接件会导致结构坍塌为无序状态。但该团队表明，超柔性带电聚合物连接件能让纳米颗粒自发重组，形成可定制的开放材料结构。这种柔性组装方法使面向医学、能源和光子学应用的定制材料更容易规模化。

“人们对纳米颗粒超晶格感兴趣，是因为有望构建定制材料，让你能更多地决定它们实际可以构建成哪些类型的结构，”MIT材料科学与工程系理查德·P·西蒙斯（1953）冶金学教授罗布·麦克法兰说。

“这是纳米颗粒组装中一种此前从未被研究过的新方法。拥有一种如此反直觉的新工具令人兴奋。它与过去20年的教条完全相反：你必须让连接配体变得刚性，任何偏离都会导致组装失败。我们表明，如果你直接把它调到相反的极端，它也同样有效，”麦克法兰解释道。

柔性配体

纳米颗粒是被设计到十亿分之一米尺度的微小结构，这使它们成为现代材料科学的理想构建单元。其高度可定制的形状使应用范围从药物递送系统延伸到储能器件。

然而，将这些微小组件规模化为更大的功能性超晶格一直很困难。标准组装技术使用称为配体的刚性连接分子。这些僵硬的“手臂”迫使纳米颗粒形成紧密堆积、高度致密的排列。

致密堆积适用于基本结构，但它严重限制了纳米颗粒所能形成的物理性质。此外，为每一种新材料定制刚性形状成本高昂、脆弱且难以规模化。

“我们想，‘让我们做完全相反的事：让键合如此柔韧，以至于它们最初指向哪个方向都无关紧要。’当颗粒靠拢时，配体可以重组，而这种重组本身会限制每个颗粒能结合多少个邻居，”麦克法兰说。

可规模化的定制

该团队设计了带有电荷尖端而不是通过复杂化学预先编程刚性连接角度的柔性聚合物臂。当相反电荷相互吸引时，这些松软的链会弯曲和伸展，以触及附近的伙伴。

随着纳米颗粒靠拢，柔性连接件会自发重组，以最大化键合稳定性。研究人员可以利用这种自我调整行为来调节网络结构，这种行为会限制每个颗粒结合的邻居数量。此外，修改纳米颗粒尺寸、配体链长度或整体电荷，可以完全控制所得材料。

研究人员通过自然的分子变形，成功制造出了此前未见的晶格。降低纳米颗粒网络的密度开辟了关键的技术机会，包括用于光子学的精确光控制、用于化学催化的开放框架，以及用于靶向药物递送的水凝胶。

这一进展弥合了理论纳米颗粒控制与实际应用之间的理解鸿沟。拥抱柔性而非刚性，为材料科学家提供了一种从头设计定制材料的可规模化蓝图。

这些发现发表在《自然·材料》期刊上。

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