根据密歇根大学和印第安纳大学研究人员的一项新研究，纳米级构建块如何根据指令重新排列成不同的组织结构，现在可以通过结合电子显微镜、带有微观通道的小样本支架和计算机模拟的方法来实现。
这种方法最终可能使智能材料和涂层能够在不同的光学、机械和电子特性之间进行切换。
“我最喜欢的一个关于自然界中这种现象的例子是变色龙，”密歇根大学化学工程博士生托拜厄斯·德怀尔表示，他是发表在《自然化学工程》杂志上的这项研究的第一作者之一。“变色龙通过改变皮肤中纳米晶体之间的间距来改变颜色。我们的梦想是设计一个动态和多功能的系统，能够像我们在生物学中看到的一些例子一样出色。”
成像技术使研究人员能够实时观察纳米颗粒对环境变化的反应，为研究纳米颗粒的组装行为提供了前所未有的视角。
在这项研究中，印第安纳大学的研究小组首先将纳米颗粒（比普通细菌细胞小的材料）悬浮在微流体流动细胞的微小液体通道中。这种设备允许研究人员在电子显微镜下观察混合物时，将不同种类的液体冲洗到细胞中。研究人员发现，该仪器使纳米粒子——通常是相互吸引的——产生了足够的静电斥力，使它们分开，并有序地组合在一起。
纳米颗粒是由金制成的立方体，它们要么完美地排列成一个整齐的簇，要么形成一个更凌乱的排列。材料的最终排列取决于悬浮块所在液体的性质，向流动池注入新液体会导致纳米块在两种排列之间切换。
该实验证明了如何将纳米颗粒引导成所需结构的概念。纳米粒子太小，无法手动操作，但这种方法可以帮助工程师通过改变环境来学习如何重新配置其他纳米粒子。
“你以前可能能够将颗粒移动到新的液体中，但你无法实时观察它们对新环境的反应，”印第安纳大学化学副教授叶星辰（音译）说，他开发了这项实验技术，是该研究的主要通讯作者。
“我们可以使用这个工具对许多类型的纳米级物体进行成像，比如分子链、病毒、脂质和复合颗粒。制药公司可以利用这项技术来了解病毒在不同条件下如何与细胞相互作用，这可能会影响药物开发。”
研究人员表示，在实际的可变形材料中，激活粒子并不需要电子显微镜。光和pH值的变化也可以达到这个目的。
然而，为了将这项技术扩展到不同种类的纳米颗粒，研究人员需要了解如何改变他们的液体和显微镜设置来排列颗粒。密歇根大学团队进行的计算机模拟通过识别导致粒子相互作用和聚集的力，为未来的工作打开了大门。
密歇根大学化学工程助理研究科学家、该研究的第一作者之一蒂姆·摩尔（Tim Moore）表示：“我们认为，我们现在对所有正在发挥作用的物理学有了足够的了解，可以预测如果我们使用不同形状或材料的粒子会发生什么。”他与德怀尔和莎伦·格洛策（密歇根大学化学工程系安东尼·C·莱姆克系主任，该研究的通讯作者）一起设计了计算机模拟。
“实验和模拟的结合是令人兴奋的，因为我们现在有了一个平台，可以与我们的IU合作伙伴一起设计、预测、制造和实时观察新的、可变形的材料，”格洛策说，他也是John Werner Cahn杰出大学教授和Stuart W. Churchill学院化学工程教授。
这项研究得到了美国国家科学基金会的资助。
研究：纳米立方体自组装途径的工程和直接成像（DOI: 10.1038/s44286-024-00102-9）
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希望本篇文章《纳米粒子在创新研究中的新配置》能对你有所帮助！
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