科學(xué)家炫技四面體拼出八晶胞金剛石

科學(xué)家*近發(fā)現(xiàn)了一種由納米級(jí)四面體“拼裝”出的全新金剛石結(jié)構(gòu)——八晶胞金剛石。它不僅密度更低，還藏著微觀世界的“光學(xué)密碼”。

一、八晶胞金剛石的發(fā)現(xiàn)與獨(dú)特結(jié)構(gòu)

美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室FangLu研究員、哥倫比亞大學(xué)OlegGang教授、密歇根大學(xué)SharonC.Glotzer教授等人在“NatureMaterials”期刊上發(fā)表的論文，揭示了這一新結(jié)構(gòu)的奧秘。他們發(fā)現(xiàn)了一種由納米級(jí)固態(tài)四面體形成的低密度“八晶胞金剛石”結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的晶胞可不簡單，里面包含64個(gè)四面體，還有8個(gè)立方金剛石子單元。

從整體來看，這個(gè)晶體是非手性的，但它卻是由具有相反手性的雙層結(jié)構(gòu)組成。奇妙的是，金四面體的等離子體性質(zhì)，讓晶體表面產(chǎn)生了手性光學(xué)響應(yīng)，仿佛給晶體賦予了一種特殊的光學(xué)“魔法”。

二、實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)構(gòu)觀察

為了制備這種神奇的八晶胞金剛石結(jié)構(gòu)，科學(xué)家們采用了溶劑蒸發(fā)的方法。他們將用十六烷基三甲基氯化銨（CTAC）包覆的金納米四面體滴在疏水的聚氨酯樹脂涂層硅基底上，然后耐心等待溶劑慢慢蒸發(fā)。

在結(jié)構(gòu)觀察方面，掃描電子顯微鏡（SEM）立下了大功。通過SEM，能看到形成了像小島一樣的結(jié)構(gòu)，還有明顯的臺(tái)階狀特征。高倍SEM圖像里，大、小三角形和黑色的三角形空隙清晰可見，它們分別對(duì)應(yīng)著不同位置的金四面體。更有趣的是，雙層結(jié)構(gòu)還呈現(xiàn)出2D“渦旋”圖案，相鄰雙層的手性相反，就像微觀世界里一個(gè)個(gè)左旋、右旋的小漩渦。

三、手性光學(xué)響應(yīng)的奇妙現(xiàn)象

當(dāng)光線照射晶體表面，奇妙現(xiàn)象發(fā)生：

在650-820納米波長范圍內(nèi)，左旋和右旋區(qū)域的散射光強(qiáng)度差異顯著。

盡管晶體整體對(duì)稱，但表面隨機(jī)暴露的手性層能與光產(chǎn)生“互動(dòng)”，這種特性在光學(xué)傳感器或加密材料中潛力巨大。

四、八晶胞金剛石結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與形成機(jī)制

八晶胞金剛石結(jié)構(gòu)的晶胞參數(shù)很獨(dú)特，包含64個(gè)四面體，有四種不同取向。沿著[111]方向看，能看到四個(gè)相交的立方晶胞。而且，四面體在雙層內(nèi)的旋轉(zhuǎn)形成了特殊的二維蜂窩狀圖案和三角形空隙，相鄰雙層的四面體旋轉(zhuǎn)方向相反，這讓結(jié)構(gòu)對(duì)稱性和普通金剛石排列不同。

關(guān)于形成機(jī)制，通過晶格能計(jì)算，考慮范德華力、靜電斥力和耗盡相互作用，發(fā)現(xiàn)四面體的旋轉(zhuǎn)角度和CTAC濃度、雙層厚度有關(guān)。在疏水性基底上，四面體先形成花瓣環(huán)圖案，這個(gè)圖案就像一個(gè)“溫柔的小窩”，能穩(wěn)定上面的八金剛石晶體。而親水性基底會(huì)限制四面體的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致形成不同的結(jié)構(gòu)。

五、研究意義與未來展望

這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)了納米級(jí)四面體自組裝成八金剛石結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象，揭示了通過粒子-基底相互作用影響膠體結(jié)晶的新方法，拓展了納米粒子自組裝的技術(shù)手段。

未來，也許我們能利用這個(gè)發(fā)現(xiàn)，制造出更多具有特殊性能的材料，在光學(xué)、電子等領(lǐng)域發(fā)揮大作用。例如，利用其獨(dú)特的手性光學(xué)響應(yīng)，開發(fā)新型的光學(xué)器件；或者利用其特殊的晶體結(jié)構(gòu)，提升電子材料的性能。

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