该团队不再依赖刚性的分子连接将纳米颗粒固定在精心规划的排列中，而是开发了极其柔性的连接分子，它们可以在颗粒聚集时弯曲和调整。这一出人意料的策略为科学家提供了一种控制纳米颗粒自组装的新方法，使他们能够创造出前所未见的晶体结构。
这一发现可能有助于克服材料科学中的一个重大障碍，并为创造具有精确设计性能的物质开辟新的可能性。潜在应用包括电子学、医学、能源技术、农业和化学制造。
这些研究成果在一篇即将发表于《自然·材料》的论文中进行了描述，展示了分子连接分子的柔性和电荷如何决定纳米颗粒形成的结构。
MIT研究人员挑战20年来的材料科学定论
“人们对纳米颗粒超晶格感兴趣，是因为它有望构建定制材料，让你对它们实际能构建出什么类型的结构拥有更大的话语权，”MIT材料科学与工程系Richard P. Simmons（1953届）冶金学教授Rob Macfarlane说，“这是一种前所未有研究过的纳米颗粒组装新方法。拥有一个如此违反直觉的新工具令人兴奋。它与20年来的教条完全相反：你需要让连接配体保持刚性，任何偏离都会导致组装失败。我们证明了如果你把它推向完全相反的极端，它同样有效。”
研究团队还包括MIT博士生Nicholas Sbalbi、特拉华大学博士生Stephen Kronenberger、MIT本科生Hana Shinzawa、2026届博士Matthew Ye，以及特拉华大学前教授Arthi Jayaraman。
这一发现的核心是材料科学的一个基本原理：材料最小组分的排列方式决定了该材料的行为。
“这意味着如果你知道你的构建单元是什么以及它们如何排列，你就能解释材料具有什么性质，”Macfarlane说，“控制这一点正是你制造具有新性质材料的方法。”
这一原理在处理纳米颗粒时尤为重要。纳米颗粒是极小的物质，其形状、大小和性质可以根据不同目的进行调整。科学家已经在药物递送、储能、计算和传感器等技术中使用单个纳米颗粒。
但将这些微小的构建单元转化为更大、有序的材料是一个艰巨的挑战。
为什么纳米颗粒如此难以控制
最大的障碍之一是控制纳米颗粒之间如何相互连接。科学家不仅需要确定每个纳米颗粒与多少个相邻颗粒相连，还需要确定这些连接形成的方向。
如果没有这种控制，纳米颗粒往往会组装成紧密堆积的排列，这限制了研究人员能够产生的结构多样性，从而限制了他们创造具有特殊或专门性质材料的能力。
研究人员传统上从两个途径解决这一问题。一种策略是改变纳米颗粒的形状来影响它们组合的方式。另一种是修饰其表面的特定区域，使只有某些区域能吸引相邻颗粒。
实际上，科学家试图控制颗粒相互粘附的位置，就像设计只能以特定位置连接的拼图块一样。
尽管这些方法可以产生有用的结构，但它们往往复杂、高度专业化，且难以适应大规模生产。
“这两种方法的挑战在于，在我们制备颗粒时，很难通过合成手段实现，”Macfarlane解释道，“已开发出的定义粘性的方法总是量身定制的：它们只适用于一种材料、一种尺寸尺度、一种条件。它对研究有好处，但你无法用它做更多的事情。”
这两种策略都依赖于称为配体的分子连接分子。这些分子附着在纳米颗粒表面，帮助连接相邻颗粒。
传统上，研究人员试图使这些配体保持刚性，以便连接保持在精确控制的角度。这有助于维持所需的排列，但也限制了可形成的结构类型及其可实现的功能。
MIT团队决定探索一种截然不同的可能性。
关于柔性分子键的惊人发现
研究人员没有强迫分子连接保持在固定位置，而是想知道赋予它们几乎完全的弯曲自由是否能提供一种全新的控制方式。
“我们想，‘让我们反其道而行之：让键如此柔性，以至于它们最初指向什么方向都无关紧要。’然后配体可以在颗粒聚集时重新组织，而这种重新组织本身限制了每个颗粒可以结合多少个邻居，”Macfarlane说。
这一想法颠覆了纳米颗粒组装的常规方法。科学家不再预先控制每个连接的取向，而是允许连接分子在颗粒相互作用时自然调整。
Macfarlane的实验室多年来一直在开发利用附着聚合物链构建不同类型纳米颗粒的方法。聚合物是由重复小单元组成的大分子，其柔性使其在制造可调分子连接方面非常有用。
在这个新系统中，团队为纳米颗粒配备了高度柔性的配体，其末端携带电荷。有些带正电荷，有些带负电荷。
由于异性电荷相吸，连接分子自然向带有相反电荷的伙伴弯曲。这种引力帮助纳米颗粒结合在一起，而连接分子的柔性则影响每个颗粒可以形成的连接数量。
“我们的想法是，不用复杂的合成方法来定义键发生的特定方向，我们只是说，‘键想多柔性就多柔性，它们会自发地趋向于使键稳定性最大化的任何价态，’”Macfarlane说。
在这种情况下，价态指的是纳米颗粒与相邻颗粒形成的连接数量。通过允许连接分子自由移动，研究人员发现该系统可以自然地进入稳定排列，而无需预先设计每一个连接。
科学家创造出前所未见的晶体结构
由Sbalbi领导的实验表明，研究人员可以通过改变两个相对简单的特性来调整纳米颗粒之间的连接：颗粒的大小和柔性分子链的长度。
这些调整改变了颗粒的组装方式，使团队能够控制每个颗粒可以连接的相邻颗粒数量。
最重要的是，研究人员利用这种方法产生了前所未见的晶体结构。
晶体是其构建单元形成有序、重复图案的材料。在本例中，重复排列由纳米颗粒而非单个原子或小分子构成。这种有序的纳米颗粒网络通常被称为超晶格。
通过减少相邻颗粒之间的连接数量，团队能够创造出更开放的排列，而不是纳米颗粒组装过程中通常形成的密堆积结构。
“无需预先设计颗粒在哪里连接或它们的形状是什么，我们就能控制每个颗粒具有的键数，”Macfarlane解释道，“聚合物的柔性程度决定了它具有多少个键。它使我们能够降低每个颗粒的键数，并制造出我们从未见过的晶格。”
这些结果表明，曾被视为精确纳米颗粒组装障碍的分子柔性，反而可以成为设计新材料结构的强大工具。
通向可定制设计材料的新途径
研究人员认为，他们的方法可以使科学家更接近材料科学中长期追求的目标：独立于颗粒组装成的更大结构来选择单个纳米颗粒的性质。
理想情况下，科学家可以根据纳米颗粒的电学、光学、化学或其他有用特性来选择它们，然后将这些颗粒组织成最适合特定应用的任何排列。
然而在实践中，现有的组装方法使这种程度的灵活性难以实现。
“我们纳米颗粒组装领域的人经常谈到对颗粒是什么以及它进入什么组装体拥有完全独立的控制，”Macfarlane说，“理论上应该是这样。但实际上，情况绝对不是如此。”
这种新方法可以帮助弥合这一差距。由于研究人员可以通过连接分子的柔性和电荷间的引力来影响纳米颗粒的排列，他们或许能够创造出更多样的结构，而无需传统方法所需的复杂制造技术。
团队还认为这一发现是大规模生产可定制材料的一条有前途的途径，有可能帮助纳米颗粒技术走出实验室实验，进入实际应用。
在电子学、医学和能源领域的潜在应用
构建更开放、更多样化的纳米颗粒结构的能力，对于开发先进材料可能特别有价值。
在涉及控制和操纵光的光子学领域，精确组织的纳米颗粒可以帮助研究人员设计具有特殊光学性质的材料。在化学催化领域（即物质加速化学反应的过程），新的颗粒排列可以为改进催化剂的工作方式创造机会。
该方法还可能支持医学、农业、电子学和能源技术的未来发展。
一个主要优势是纳米颗粒本身已经可以具有广泛的有用性质。通过控制这些颗粒如何聚集，科学家或许能够以新的方式组合它们的各项能力。
“纳米颗粒超晶格提供了一种创造设计材料的途径，其构建单元具有各种独特的性质，”Macfarlane说，“但仅仅将这些纳米颗粒密堆积在一起会限制你的应用。这提供了一种获得较低密度纳米颗粒排列的方法，而许多有趣的应用正存在于其中。”
尽管将该方法转化为商业技术还需要进一步开发，但这一发现确立了分子柔性作为创造具有定制结构材料的新策略。
科学家现在或许能够利用这种柔性来实现刚性设计难以轻易实现的排列，而不是将弯曲的分子连接视为需要消除的问题。
该研究得到了美国国家科学基金会、能源部、美国陆军和美国海军的部分支持。