結晶是自然界中基本的過程之一--正是它賦予了礦物、寶石、金屬、甚至蛋白質以結構。

 

在過去的幾十年里，科學家們一直試圖揭示天然晶體是如何自我組裝和生長的--他們的開創性工作帶來了一些令人興奮的新技術--從彩色QLED電視顯示器背后的量子點，到啟發了數十項生物技術突破的蛋白質模擬物--peptoids。

　　現在，由能源部勞倫斯伯克利實驗室（伯克利實驗室）和加州大學伯克利分校的科學家領導的一個研究小組已經開發出一種納米粒子復合材料，可以生長成三維晶體。科學家們說，這種新材料--他們稱之為3D PGNP（聚合物接枝納米粒子）晶體--可能會帶來3D生長而非3D打印的新技術。

　　"該研究的資深作者說："我們已經展示了一個新的杠桿，可以說是將晶體材料生長為復合材料或結構材料，應用范圍從智能建筑的納米級光子學到機器人的執行器。

　　研究人員說，他們的新方法符合大規模制造的要求。"許多聰明人已經設計了優雅的化學制品，如DNA和超分子，以使納米粒子結晶。我們的系統本質上是納米粒子和聚合物的混合體--它們類似于人們用來制造飛機機翼或汽車保險杠的成分。但更有趣的是，我們沒有想到我們的方法會如此簡單，如此快速，"研究人員說。

　　一個偶然的發現

　　研究人員在一次普通的實驗室實驗中偶然發現了3D PGNP納米晶體。

　　幾天前，她把甲苯溶劑和與聚苯乙烯接枝的金納米粒子（Au-PS）的溶液放在實驗室柜臺上的離心管中。當她在透射電子顯微鏡（TEM）下觀察該樣品時，她注意到了一些奇怪的東西，納米顆粒迅速結晶了。她說：“這不是一個正常的預期。”

　　為了進行研究，研究人員都因其在STEM（掃描透射電子顯微鏡）斷層掃描方面的專業知識而廣受贊譽，這是一種電子顯微鏡技術，利用高度集中的電子束來高分辨率地重建材料的三維結構圖像。

　　研究人員使用分子鑄造廠的顯微鏡，一個的STEM斷層掃描用戶設施，先捕捉到了Au-PS納米顆粒的晶體三維模式。

　　為了尋找更多的線索，研究人員隨后在加州大學伯克利分校進行了核磁共振光譜實驗，他們在那里發現，來自離心機管內壁的極微量的聚烯烴分子以某種方式進入了混合物。聚烯烴，包括聚乙烯和聚丙烯，是上普遍的一些塑料。

　　研究人員重復了這個實驗，在Au-PS溶液中加入了更多的聚烯烴--這一次，他們在幾分鐘內得到了更大的三維PGNP晶體。

　　研究人員很驚訝。"她回憶說："我想，'這不應該發生得這么快'。"納米顆粒的晶體在實驗室里通常需要幾天的時間來生長。"

　　工業的福音：在納米級上生長材料

　　隨后的實驗顯示，由于甲苯溶劑在室溫下迅速蒸發，聚烯烴添加劑幫助Au-PS納米粒子形成三維PGNP晶體，并成長為它們喜歡的晶體結構。

　　在另一個關鍵實驗中，研究人員設計了一個自組裝的100-200納米的晶體盤，看起來像一個金字塔的底座。從這一在納米級掌握物質的驚人展示中，研究人員了解到，三維PGNP晶體的大小和形狀是由聚烯烴在溶液中沉淀時的動能驅動的。

　　總的來說，這些發現 "提供了一個模型，表明你如何能夠在單粒子水平上控制晶體結構，"研究人員說，并補充說他們的發現是令人興奮的，因為它提供了對晶體在成核早期階段如何形成的新見解。

　　研究人員說："而這是具有挑戰性的工作，因為很難讓原子彼此相鄰"。

　　研究人員說，這種新方法可以讓研究人員在納米級（十億分之一米）的電子和光學設備的微調中獲得前所未有的控制。她補充說，這種納米級的精度可以加快生產速度，消除制造中的錯誤。

　　展望未來，研究人員希望利用他們的新技術來探測不同晶體結構的韌性--甚至可能制造出六角形晶體。

　　研究人員計劃使用他們的技術來生長更大的設備，如晶體管，或者也許用混合材料3D打印納米粒子。

　　"你能用不同的形態做什么？我們已經表明，有可能從一種礦物和一種聚合物中生成一種單組分的復合材料。這真的很令人興奮。有時你只需要在正確的時間出現在正確的地點，"研究人員說。