通过像堆砌纳米级乐高积木那样堆叠定制设计的银纳米粒子，科学家稳定了一种前所未见的神秘晶体相。这种材料不仅解决了材料科学领域一个长期存在的难题，还在室温下展现出了极具潜力的量子特性。
这项发表在《科学》杂志上的研究，捕捉到了金属中两种常见晶体排列转变过程中出现的一种中间结构状态。除了揭示关于这些转变如何发生的新细节外，这种新创造的材料还表现出非同寻常的光学行为，最终可能对量子计算和其他量子信息技术有所助益。
更广泛而言，这项研究展示了一种自下而上设计材料的新策略，即通过将特制的纳米粒子组装成具有定制特性的全新结构。
“我们的工作有点像孩子们玩乐高积木，”布朗大学化学副教授、该研究的通讯作者欧陈说。“我们合成独特的纳米级构建单元，并将它们堆叠成有趣的结构。在这个案例中，我们得以稳定这些理论上存在的过渡结构，并展现了重要的量子光学特性。”
捕捉晶体转变中缺失的一步
许多金属材料自然地将其原子排列成两种晶体结构之一，即面心立方（FCC）和体心立方（BCC）。
在FCC结构中，粒子以尽可能紧密的方式堆积。它们占据立方体的每个角以及每个面的中心。BCC结构的堆积密度稍低，粒子位于立方体的角上，且立方体中心有一个单独的粒子。
一些金属在加热时可以在这些排列之间转换。例如，铁在912摄氏度时会从BCC结构转变为FCC结构。
科学家们对这种转变的发生机制提出了几种解释。一个主流模型被称为“西山-沃瑟曼路径”，预测了在转变过程中会形成一系列短暂的中间结构。由于这些中间相极不稳定，直接观察它们一直非常困难。
这项新研究成功利用银纳米粒子重现并稳定了那些转瞬即逝的结构状态。
“长期以来，材料科学家一直关注如何控制金属中FCC和BCC的含量，但由于这些相之间的转变极不稳定，研究难度很大，”密歇根大学Sharon Glotzer实验室的助理研究科学家、该研究合著者蒂姆·摩尔说。“能够观察到这些结构是材料科学领域的一个根本性突破，它使我们在纳米材料工程方面拥有了更强的控制力。”
利用定制纳米粒子构建新材料
为了构建新结构，研究人员合成了形状像截角八面体的银纳米粒子，他们将其称为“mecons”。这些粒子类似于切掉棱角的钻石形状，形成了一种十四面几何结构。
据陈教授介绍，这种形状特别有用，因为它介于球体和立方体之间，而这两种形态自然堆积的方式各不相同。
由高级研究科学家兼论文第一作者长冈泰孝领导的团队，调整了合成过程中的加热条件，制造出了具有不同程度圆度和类立方体特征的mecons。随后，他们用长分子链包裹粒子，这些分子链就像粘性连接器一样，使粒子能够组装成被称为纳米粒子超晶格的更大有序结构。
结合实验室观察与密歇根大学Glotzer小组合作进行的详细计算机模拟，研究人员发现，这些分子涂层在稳定那些与“西山-沃瑟曼路径”预测的过渡结构相匹配的排列方面发挥了关键作用。
“你可以把它们想象成长毛的粒子，”摩尔说。“这些‘毛’足够柔韧，使粒子有更多的移动自由，但它们又能很好地契合，从而使粒子能够紧密交织在一起。”
室温量子光学效应
新组装的银超晶格在光照下表现出另一种非凡的特性。
研究人员观察到了深强光-物质耦合的迹象，这是一种银纳米粒子内部的电子与光波完美同步振荡并发生量子力学纠缠的现象。
这类量子光学效应通常与极低温度相关联。然而，这种新材料似乎能在室温下展现出这种行为。
这一发现可能为未来用于量子计算、传感技术及其他先进量子系统的材料开发奠定基础。
“任何时候，只要你能够发现一种新的物质相，新的应用就会随之涌现，”陈教授说。
该研究得到了美国国家科学基金会（DMR-1943930, CHE-2203700, EAR−2223273, CBET-2230729, CBET-2230891, 2243104, DMR 140129, 2138259, 2138286, 2138307, 2137603, 2138296）和美国能源部（DE-SC0012704, DOE-NNSA, DE-NA-0003975）的多项资助。