德国研究小组发现压力可诱导纳米粒子形成超晶体

通常纳米颗粒(NPs)的自组装和结晶过程十分复杂，其基于NP构建块的蒸发或沉淀。而获得高质量超晶体的过程则很缓慢，其取决于形成和保持均匀的结晶条件。最近一项研究已经通过施加压力作为一种均匀的方法来诱导预先排列的纳米粒子组件的各种结构转变和相变。

近日，德国的一个研究小组研究了涂有聚乙二醇基配体的金纳米颗粒溶液，发现在该悬浮液中可以诱导超晶体迅速形成，并将相关成果发表在“Physical Chemistry Letters”《物理化学快报》(题为“压力刺激纳米颗粒悬浮液中形成超晶体”)上。

图1：不同压力下加入2M CsCl的PEG包覆金纳米颗粒(AuNP)的2D SAXS图（X 射线小角散射）。左：0.1MPa压力；中间：400条；右：将0.1MPa压力释放后。顶部的方案表明了涂覆的AuNP在不同压力下的结构组装：在0.1MPa时，粒子整体处于无定形的液态。当达到结晶压力时，AuNP形成面心立方微晶。在压力释放后，AuNP又恢复到原来的无定形态

在过去的几十年里，人们对纳米粒子(NP)超晶体的形成产生了极大的兴趣。因为这种超晶体不仅可以表现出与其组成部分不同的可调谐和集体性质，并且在光学、电子学和传感器平台等领域具有潜在的应用前景。

虽然高质量的超晶体的形成通常是一个缓慢而复杂的过程，但最近的研究表明，施加压力可以诱导金纳米粒子形成超晶体。故在此基础上，盐对涂有PEG基配体的金纳米颗粒(AuNP)溶解度的一定影响，Martin Schroer博士及其团队进行了一系列实验，研究不同压力对金纳米颗粒水溶液的影响。

实验中，他们观察到一个意想不到的现象，在溶液中加入盐时，纳米粒子会在一定的压力下结晶。相图也非常敏感，可以通过改变盐的种类和浓度来调节结晶。

该团队使用光束线I22小角度X射线散射（SAXS）来研究用不同的氯盐（NaCl、KCl、RbCl、CsCl）下的原位结晶。

正如Schroer博士解释的那样，I22是为数不多的能提供高压环境的光束线之一，这并不常见，因为实验设置很容易由用户自己管理。但是Beamline的员工非常专业，我们特别感谢他们在数据处理方面提供的专业知识，这非常宝贵。

图2:AuNP@PEG的压力-盐浓度相图。低压时，颗粒属于液态，超过临界压力，在溶液中形成面心立方（fcc）超晶格。结晶转变取决于盐的浓度以及盐的种类

根据压力-盐浓度相图数据显示，结晶是盐和压力对聚乙二醇涂层共同作用的结果。超晶体的形成只发生在高盐浓度下，并且可逆。增加盐浓度会导致结晶压力持续降低，而晶格结构以及结晶度与盐的种类和浓度并无关系。

当达到结晶压力时，整个悬浮液内形成超晶体；压缩液体会进一步导致晶格常数的变化，但不会导致结晶或结构转变。这种技术应该适用于各种纳米材料，未来的研究可能揭示关于超晶体形成的新见解，这将帮助大家理解结晶过程，且有助于开发新的、更快的方法合成NP超晶体。

NP结晶似乎是瞬时完成的，但在该实验中，在施加压力和进行SAXS测试之间存在大约30秒的延迟。Schroer博士和他的团队将于今年晚些时候回到Diamond，进行时间分辨研究，以便进一步研究这一现象。

文章来自Nanowerk，原题目为Nanoparticles form supercrystals under pressure，由材料科技在线汇总整理。