用微小粒子制造材料的新途径

诸平

Four cubic colloids made from glass. Credit: TU Delft

Fig. 1. Schematic illustration of different pathways to hierarchical assembly.

据荷兰代尔夫特理工大学（Delft University of Technology简称TU Delft）2022年5月27日提供的消息，代尔夫特理工大学的研究员劳拉·罗西（Laura Rossi）和她的团队发现了一种用微小的玻璃颗粒——所谓的胶体（colloids）——制造合成材料的新方法（New route to build materials out of tiny particles）。他们与来自加拿大女王大学（Queen's University, Kingston, Canada）、荷兰阿姆斯特丹大学（University of Amsterdam, Netherlands）、美国密歇根大学（University of Michigan, Ann Arbor, MI, USA）以及美国宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania, Philadelphia, USA）的同事一起，展示了他们可以简单地利用这些胶体的形状，制造出有趣的新材料的构建模块，而不考虑胶体颗粒的其他性质。“这是惊人的，因为它打开了一种全新的方式来思考材料设计，”劳拉·罗西说。他们的研究成果于2022年5月27日在《科学进展》（Science Advances）杂志网站发表——Lucia Baldauf, Erin G. Teich, Peter Schall, Greg Van Anders, Laura Rossi. Shape and interaction decoupling for colloidal preassembly, Science Advances, 27 May 2022, 8(21). DOI: 10.1126/sciadv.abm0548. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm0548

胶体是微小的颗粒，几纳米到几微米大小。它们由一组分子组成，根据材料的不同可以有不同的性质。“在某些情况下，胶体（colloids ）可以表现得像原子和分子一样，但它们的相互作用没有那么强，”劳拉·罗西解释说，“这使得它们有希望成为新材料的基石，例如，可以调整其特性以适应环境的互动材料（interactive materials）。”

材料设计新方法（New way of materials design）

如果放任不管，这项研究中由玻璃制成的立方体形状的胶体将自行组装成简单的结构，比如扭曲的立方体和六边形晶格。但研究人员并没有立即从构建模块到最终结构，而是将小群胶体组合成更大的构建模块。当他们组装这些胶体簇时，最终得到了不同的最终结构，与自组装结构不同的材料性能。劳拉·罗西说:“从化学的角度来看，我们一直专注于如何生产特定类型的胶体。在这项研究中，我们将重点转移到:我们如何使用现有的胶体来制作有趣的构建模块?”

前进了一步（A step forward）

劳拉·罗西和她的合作者格雷格·范·安德斯（Greg van Anders）表示，他们研究界的终极目标之一是按需设计复杂的胶体结构。“我们在这里的发现非常重要，因为为了可能的应用（possible applications），我们需要有可以扩大规模的程序，这是目前大多数可用方法难以实现的。将不同的构建模块预组装成相同的模块，并使它们形成相同的结构，或者将相同的积木预组装成不同的模块，形成不同的结构，这是工程复杂结构的基本‘棋步’（ basic 'chess moves'），”格雷格·范·安德斯补充道。

虽然劳拉·罗西是研究材料的基本方面,而不是应用程序设计,她可以想象最终应用这项具体工作:“我们发现, 我们制备的结构密度远低于你会通过使用开始构建模块而获得的结构密度。所以对于运输而言，你可以考虑制备坚固而轻便的材料。”

合作（Teaming up）

劳拉·罗西的团队在实验室中构建了胶体簇之后，他们依靠皇后大学的格雷格·范·安德斯的团队，通过计算机模拟，用预先组装好的胶体簇构建了最终的结构。劳拉·罗西解释说:“有了这类项目，我们很高兴能够与其他能够进行模拟的人合作，不仅可以深入了解正在发生的事情，还可以测试实验室实验成功的机会有多大。在这种情况下，我们得到了非常令人信服的结果，我们很好地理解了设计过程，得到的材料可能有用。”

下一步将是在实验室中用胶体簇实际构建出最终的结构。劳拉·罗西说:“在看到这些结果后，我相信这是可以做到的。如果能有这种材料的实体版本，并把它拿在手里，那就太棒了。”

此研究得到了荷兰科学研究组织（Netherlands Organisation for Scientific Research: 680-47-446）、德国人民学术基金会（Studienstiftung des Deutschen Volkes）、加拿大自然科学与工程研究委员会（Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada: RGPIN-2019-05655 and DGECR-2019-00469）、美国国家科学基金会（National Science Foundation: OCI-0725070 ACI-1238993）、美国国家科学基金会研究生研究奖学金（National Science Foundation Graduate Research Fellowship Grant DGE 1256260）和布鲁·沃特世研究生奖学金（Blue Waters Graduate Fellowship）的资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

用胶体来构建复杂的结构（Using colloids to build complex structures）

Abstract

Creating materials with structure that is independently controllable at a range of scales requires breaking naturally occurring hierarchies. Breaking these hierarchies can be achieved via the decoupling of building block attributes from structure during assembly. Here, we demonstrate, through computer simulations and experiments, that shape and interaction decoupling occur in colloidal cuboids suspended in evaporating emulsion droplets. The resulting colloidal clusters serve as “preassembled” mesoscale building blocks for larger-scale structures. We show that clusters of up to nine particles form mesoscale building blocks with geometries that are independent of the particles’ degree of faceting and dipolar magnetic interactions. To highlight the potential of these superball clusters for hierarchical assembly, we demonstrate, using computer simulations, that clusters of six to nine particles can assemble into high-order structures that differ from bulk self-assembly of individual particles. Our results suggest that preassembled building blocks present a viable route to hierarchical materials design.