纳米晶材料深度分析（一种金属纳米粒子超晶格）

纳米晶材料深度分析（一种金属纳米粒子超晶格）图2 勾勒出空间填充形状的NFs的边缘键合。图1 合成中空NPs (NFs和NCs)和开放-通道超晶格的反应途径。多孔晶体是一类具有非凡性能的材料，包括高表面积和低密度。多孔胶体材料是这类结构中特别有趣的一类，因为它们提供了反光子结构的途径，可用于光学、能量存储和生物应用。这些结构通常是通过模板工艺制成的，这一策略通常依赖于由球形颗粒制成的面心立方晶体作为模板；而这限制了可能的孔隙拓扑结构和孔隙体积分布。尽管在多孔材料(孔孔径小于10 nm)的制备方面取得了显著进展，并且在分子尺度上已有了构建此类材料的设计规则，但在10 nm-1µm范围内制备具有定制孔径拓扑和孔径的多孔晶体，仍然非常困难。研究者假设三维(3D)金属空心纳米颗粒(NPs)(纳米框架(NFs)和纳米笼(NCs))，可以通过DNA胶体晶体工程组装成开放管道式超晶格，这种方法迄今为止已经通过基于互补接触模型的完善设计规则，获得了

尽管在分子前驱体制备多孔胶体晶体方面取得了巨大进展，但在10-1000纳米范围内，还没有设计和制备拓扑多样化多孔胶体晶体的通用方法。将孔隙率控制在这一范围内将有助于调整这种材料的分子吸收和存储、分离、化学传感、催化和光学等性能。

在此，来自美国西北大学的Chad A. Mirkin等研究者，报道了一种用DNA修饰的空心胶体纳米粒子(NPs)合成孔洞为10~1000 nm的金属开放管道式超晶格的通用方法。相关论文以题为“Open-channel metal particle superlattices”发表在最新一期Nature上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05291-y

多孔晶体是一类具有非凡性能的材料，包括高表面积和低密度。多孔胶体材料是这类结构中特别有趣的一类，因为它们提供了反光子结构的途径，可用于光学、能量存储和生物应用。这些结构通常是通过模板工艺制成的，这一策略通常依赖于由球形颗粒制成的面心立方晶体作为模板；而这限制了可能的孔隙拓扑结构和孔隙体积分布。

尽管在多孔材料(孔孔径小于10 nm)的制备方面取得了显著进展，并且在分子尺度上已有了构建此类材料的设计规则，但在10 nm-1µm范围内制备具有定制孔径拓扑和孔径的多孔晶体，仍然非常困难。研究者假设三维(3D)金属空心纳米颗粒(NPs)(纳米框架(NFs)和纳米笼(NCs))，可以通过DNA胶体晶体工程组装成开放管道式超晶格，这种方法迄今为止已经通过基于互补接触模型的完善设计规则，获得了超过70种不同的晶体对称性。事实上，与CCM模型一致，研究者确定相邻NFs的边缘之间吸引的DNA杂化相互作用，导致了有序超晶格的形成。值得注意的是，尽管这种方法可以通过顶点到顶点的键合来访问某些晶体结构，但它产生的结构在孔隙尺寸上受到限制(典型的单元尺寸小于50 nm)。

在此，研究者引入了两个新的设计规则来总结这种边键构建策略，并据此合成了12个新的开放管道式超晶格。这些结构具有对称性、孔隙几何形状和拓扑结构，可以通过选择中空的NPs和DNA进行刻意调整。这些开放-通道金属超晶格，不仅具有潜在的非自然光学特性，使其成为具有吸引力的光学超材料，而且还可以用于定位各种应用的大客体，包括生物分子吸收和存储、分离、化学传感和催化。

图1 合成中空NPs (NFs和NCs)和开放-通道超晶格的反应途径。

图2 勾勒出空间填充形状的NFs的边缘键合。

图3 勾勒出空间填充对的一个形状的NFs的边键合。

图5 调整开放-通道超晶格的孔隙拓扑结构和开放晶格中客体的封装。

在这项研究中，研究者提出了一种新的边缘键合方法，利用孔径10到1000纳米的空心NPs设计和合成明道超晶格。DNA介导的空心NPs组装，为自底向上构建负折射率超材料，提供了潜在的机会。展望未来，功能材料(如量子点、蛋白质和病毒)可以在开放-通道中潜在地为复合结构提供路径，可能在催化、等离子体、电子学和生物学等广泛领域产生影响。（文：水生）

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