納米顆粒組裝已經(jīng)被提出作為一種理想的方法來構建材料的層次組織，通過選擇納米尺度的組件來自下而上構建整個材料。多尺度結構控制是非常可取的，這是源于化學組成、納米尺度順序、微觀結構和宏觀形式都影響物理性質(zhì)。然而，通常決定納米顆粒有序的化學相互作用，并不能提供任何在更大長度尺度上操縱結構的手段。微觀結構和宏觀形態(tài)仍然是未充分探索的設計參數(shù)，開發(fā)能夠將單個自組裝結構結合成宏觀的加工技術，將是開發(fā)在所有尺寸狀態(tài)下具有完全結構控制的納米顆粒的重要步驟。因此，基于納米顆粒的材料開發(fā)需要在不犧牲其自組裝納米級排列的情況下，定制微觀和宏觀結構的加工策略。其中，納米復合技術（NCT）非常適合生產(chǎn)此類分層材料，源于其固有的可伸縮成分組成，并使用動態(tài)結合相互作用來決定納米顆粒如何排列成有序陣列。每個NCT均由覆蓋有聚合物的無機納米顆粒組成，其中每個聚合物鏈均終止于超分子結合基團。將溶劑分散的NCT與互補結合基團混合后，超分子相互作用將顆粒組裝成更大的結構。由于將NCT連接在一起的超分子相互作用是動態(tài)的，因此通過其解離溫度冷卻一系列NCT，可使它們組織成有序的超晶格。然而，由于聚合物鏈在干燥過程中迅速收縮，之前試圖從組裝溶劑中去除晶格的嘗試導致了晶格的混亂。因此，從這些NCTs中形成獨立的宏觀固體，首先需要一些方法來穩(wěn)定它們，以防止在溶劑去除過程中的順序損失。今日，美國麻省理工學院 Robert J. Macfarlane教授課題組（通訊作者）提出通過逐漸引入與聚合物發(fā)生不利相互作用的非溶劑來穩(wěn)定晶格，以防止聚合物塌陷，與該非溶劑的相互作用將導致鏈采用較致密的構型并使晶格收縮。從而演示了快速組裝以克為單位的多面納米顆粒超晶格微晶的方法，利用此方法這些晶體可以類似于塊狀固體的燒結，進一步形成宏觀物體。該方法的關鍵是：控制納米顆粒組裝的化學相互作用在后續(xù)處理步驟中保持活性，這使得在形成宏觀材料時，可以保留顆粒的局部納米級有序性?？梢愿鶕?jù)超晶格微晶的尺寸，化學組成和晶體對稱性來調(diào)整固體的納米結構和微觀結構，微觀結構和宏觀結構可以通過后續(xù)的加工步驟進行控制。因此，這項工作提供了一種通用的方法，可以同時控制分子到宏觀長度尺度上的結構組織。相關研究成果以“Macroscopic materials assembled from nanoparticle superlattices”為題發(fā)表在Nature上。
圖一、在長度范圍內(nèi)跨越七個數(shù)量級進行結構控制
圖二、NCT超晶格多面體的形成
圖三、微觀結構的控制
圖四、成分，納米級有序性和微觀結構的獨立控制
文獻鏈接：“Macroscopic materials assembled from nanoparticle superlattices”(Nature，2021，10.1038/s41586-021-03355-z)
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