技术揭示了晶体是如何在表面形成的

晶化过程,即原子或分子像士兵一样排列成有序的阵列,是定义现代生活的许多材料的基础,包括微芯片和太阳能电池中的硅。但是,尽管晶体的许多有用的应用涉及到晶体在固体表面的生长(而不是在溶液中),但一直缺乏研究这种生长的好工具。

现在,麻省理工学院(MIT)和德雷珀(Draper)的一组研究人员发现了一种方法,可以在更大的范围内重现晶体在表面上的生长,这让研究和分析变得更容易。麻省理工学院的罗伯特•麦克法兰(Robert Macfarlane)和莱昂纳多•宗伯格(Leonardo Zomberg)、黛安娜•刘易斯(Diana Lewis)博士(19年)和德雷珀(Draper)的戴维•卡特(David Carter)在《自然材料》(Nature Materials)杂志上发表了一篇论文,描述了这种新方法。

麦克法兰解释说,使这一过程易于观察和量化的关键是使用“可编程原子当量”或PAEs,而不是用实际的原子来组装这些晶体。这是可行的,因为原子排列成晶格的方式完全是一个几何问题,不依赖于其组成成分的特定化学或电子性质。

研究小组使用了球形的黄金纳米颗粒,表面包裹着经过特殊挑选的单股基因工程DNA,使这些颗粒看起来就像Koosh球一样。单股DNA有一种固有的特性,就是把它们自己紧密地连接到相应的互反链上,从而形成经典的双螺旋结构,所以这种结构提供了一种可靠的方法,可以让这些粒子精确地按照期望的方式排列。

麦克法兰说:“如果我把非常密集的DNA刷在这个粒子上,它就会和尽可能多的最近的邻居形成尽可能多的键。”“如果你恰当地设计并正确地处理它,它们将形成有序的晶体结构。虽然这一过程已为人所知多年,但这项工作是首次将这一原理应用于研究晶体在表面上的生长。

他说:“了解晶体是如何从表面向上生长的,对于许多不同的领域都是非常重要的。”例如,半导体行业是建立在大型单晶或多晶材料的发展基础上的,必须对这些材料进行非常精确的控制,但这一过程的细节很难研究。这就是为什么使用像PAEs这样的超大类似物会有这样的好处。

他说,pae“与分子和原子一样,以完全相同的方式结晶。所以它们是一个很好的代理系统来理解结晶是如何发生的。“在这个系统中,DNA的性质决定了粒子的组装方式和最终形成的3D结构。

他们设计系统,晶体成核和生长从表面开始,“裁剪两粒子间的相互作用,粒子和DNA-coated之间的表面,我们可以支配的大小、形状、方向和各向异性的程度(方向性)晶体,“麦克法兰说。

他补充说:“通过了解形成这些晶体的过程,我们可以用它来了解一般的结晶过程。”

他解释说,得到的晶体结构不仅比实际的原子结构大100倍左右,而且它们的形成过程也慢得多。这种组合使详细分析过程变得容易得多。早期描述这种晶体结构的方法只显示了它们的最终状态,因此忽略了形成过程的复杂性。

“我可以改变DNA序列。我可以改变粒子中DNA链的数量。我可以改变粒子的大小,我可以独立地调整每个单独的手柄,”麦克法兰说。“所以如果我想说,好吧,我假设在这种情况下这个特殊的结构可能会受到青睐,如果我以这种方式调整能量,那么用PAEs研究这个系统要比用原子本身容易得多。”

他说,这个系统非常有效,但是以一种允许附着在纳米颗粒上的方式修饰的DNA链可能非常昂贵。下一步,麦克法兰实验室还开发了以聚合物为基础的积木,这种积木有希望复制这些相同的结晶过程和材料,但可以在多克的规模上以低成本制造。

这项工作得到了德雷珀奖学金和美国国家科学基金会的部分资助,并使用了麻省理工学院材料技术实验室的设备。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2020/how-crystals-form-surfaces-paes-0402

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