双金刚石胶体晶体的新型制
发布时间：2025-11-07 17:55:06 阅读数： 48
美国宾夕法尼亚大学的一组研究人员利用 DNA 介导的自组装过程，意外地培育出了具有金刚石对称性的胶体晶体，称为双金刚石晶体 (B32)。
当前光学材料的进步有望像半导体革新电子学一样革新光子学，但迄今为止，人们仍在努力寻找实现这一目标所需的结构。这类材料需要像金刚石晶体那样规则的三维网络结构。
过去人们曾尝试制备具有对称性的金刚石晶体，并取得了一些成功，但只能从微小的纳米颗粒中生长出来。光子学领域的实际应用需要更大的颗粒，而此前尚无任何方法能够制备出可直接应用于实际应用的晶体。
由于填充率和机械稳定性方面的问题，通过胶体结晶形成金刚石型晶格一直非常困难。人们尝试了从各向同性相互作用到“斑块状胶体”等多种方法，但均未成功。而成功制备双金刚石晶体的研究人员采用了一种全新的方法，即利用400纳米聚合物微球，通过自组装的方式生长“支架式”金刚石微晶。
微球表面还接枝了互补的DNA链。这使得DNA桥能够快速且可逆地形成，从而增强短程吸引力，并驱动大胶体晶体的自发成核生长。
所形成的晶体具有所谓的双金刚石结构（也称为B32结构）——在这种结构中，晶体的支撑骨架充当了由成分不同的微小微球组成的第二晶格，并与第一晶格相互贯穿。该晶格结构是一个由正方形和三角形面组成的立方八面体，包含104个微球。这两个相互贯穿的晶格也呈现出与金刚石相同的晶格结构。
这些晶体的形成令研究人员感到震惊，甚至连他们自己也感到意外。虽然此前已有双金刚石晶体应用于纳米技术系统的案例，但此次采用涉及DNA胶体的机制却出乎意料。人们原本认为，双金刚石晶体的形成只需次近邻相互作用即可通过热力学稳定性实现，而DNA胶体恰恰缺乏这种相互作用。
然而，一种新的机制和分子间相互作用似乎也能产生此类晶体，这正是DNA胶体双金刚石晶体得以显现的原因。这些晶体是通过一种非经典的均相成核方法，从液相中构建而成，这种方法能够产生更小的结合能和极强的结构变形能力。这些双金刚石晶体内部的相互作用包括可逆的等温相互作用势、DNA桥以及“粘性”颗?！闯ざ瘸叨刃∮诳帕０刖兜目帕?。
这项研究的一个有趣之处在于，这种材料从未出现在他们的任何理论计算和计算模型中。原因在于，晶体本身的晶格结构在能量上是不利的，但实验结果表明，这种结构在动力学上是有利的，而非热力学上有利的。因此，尽管模拟结果无法描绘出这种结构，但实验结果却恰恰相反，这促使人们思考，或许可以利用这种方法创造出其他有用的未知结构。
在科学界，近年来计算方法蓬勃发展，用于解决实验难题，甚至在进入实验室之前就预测分子结构。然而，即便如此，我们也必须意识到，并非所有科学研究都能预测；而从自发发现中生产材料，则开辟了前所未有的途径，预示着未来有望生产出廉价、可大规模生产的超材料，这些超材料可应用于各种光子学领域。通过溶解部分支架并交联晶体的部分结构，我们或许还能找到一种可扩展的途径，用于生产具有独特超材料特性的自组装金刚石晶体。
