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科学家制造出新型粒子!可以自行组合似原子

发布时间:2015-02-03   点击次数:315次

科学家们制造出一些新型粒子,其直径仅有人类头发丝直径的百分之一。这些粒子非常特别,它们可以自行相互组合,就像是原子相互组合构成分子的过程。这种新型粒子的相互组合可以形成一些先前认为无法合成的结构模式,这一新技术或将在新型光学和陶瓷材料的制造方面带来突破。
  
  有关这项最新技术的论文已经发表在最近一期《自然》杂志上,该项技术是由一群化学家,化学工程师以及物理学家组成的科研小组开发的。这些科学家和工程师分别来自纽约大学,哈佛大学工程及应用科学系,哈佛大学物理系以及陶氏化学公司。这项技术的核心是加强胶体的构建。所谓胶体就是悬浮于流体媒介中的粒子团。胶体组成了我们日常生活中的很多东西,比如油漆,牛奶,甚至白明胶,玻璃乃至瓷器,然而胶体在构建新材料方面的研究仍然在很大程度上未有涉足。在此之前,科学家们已经成功地使用胶体制造出一些不成熟的初步的结构体。

 

这是电子显微镜下的“胶体原子,这些微尺度粒子身上被上了贴纸,让它们具备了具有方向性的等效化学键。图像中从左到右:粘有一个贴纸的粒子,粘有两个,三个,四个,五个,六个,以及七个贴纸结构。
  
  然而要想使用之前的技术去构建对先进光学材料非常关键的复杂3D结构,仍然困难重重。这其中的一部分原因就在于胶体缺乏方向键,而化学键的方向性对于粒子的自组织以及加强结构的复杂性,并且在这一过程中保持结构的整体性都非常关键。这样的粒子组合体构成了整个自然界,如原子和分子。然而这样的情况对于胶体而言则非常罕见。美国纽约大学化学教授马库斯·维克(Marcus Weck)是该项研究论文的合著者,他说:我们所做的工作,便是借助原子的自然属性,并将其引入到胶体世界。
  
  哈佛大学化学工程与物理学助理教授,研究论文合著者之一的维诺萨姆·马诺哈兰(Vinothan Manoharan)表示:当化学家们尝试合成分子和晶体时,他们有一整个元素周期表的原子可以选择。而我们试图去做的便是尝试构建一个相类似的,用于构建较大规模分子和晶体的组件库在试图让胶体具备原子属性时,研究小组设法让一个化学胶团拥有一些方向键,这就让它们可以相互组合为三维结构,只需少量粒子之间的连接便可以构件出一个架构出来。这是构件许多先进材料的基础条件。没有方向键,这样的结构将是不可能达成的。
  
  因此,整个工作的关键点便是让化学胶团具备方向键。科学家们借助DNA单链来帮助实现这一功能,这一方法在之前就已经被纽约大学和其它地方的科学家们采用来实现微小颗粒的组织化。在这篇《自然》杂志的论文所描述的方法中,这些DNA单链被用作粘绳,将粒子连接在一起。论文合著者,纽约大学物理学教授大卫·潘恩(DavidPine)表示:这样就意味着我们可以制造出只会和这种特定胶团相结合的粒子,然后我们便可以对它们进行操作。这让我们在设计三维结构时有了很大的灵活性。
  
  研究人员们指出,这些粒子胶团之间的DNA相互作用意味着具有不同属性的胶团,如不同的大小,颜色,化学功能甚至导电性,都将导致产生新的材料。这一特点具有巨大潜力,或许可以被用来制造更加先进的光学器件,提升很多日常设备的显示性能,并提升计算机的运行速度。