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纽约大学工学院的研究人员成功制备了胶体金刚石

发布:bianxl阅读:919时间:2020-9-24 22:07:22

纽约大学工学院的研究人员成功制备了胶体金刚石

自20世纪90年代开始,胶体金刚石就是研究人员的梦想。胶体金刚石稳定、自组装的结构,可以使光子在计算领域发挥和电子一样的作用,并进一步应用到其他领域。尽管胶体金刚石的理论十多年前就已经被提出,然而直到今天,人们才成功制造出了这种结构。

纽约大学工学院化学与生物分子工程系、物理系的教授David Pine所领导的研究小组设计了一种制备胶体自组装金刚石的方法,成本低廉,且尺寸大小可控。9月24日的Nature期刊上详细描述了这一发现,为高效光学电路的设计,光学计算机和激光技术的进步,以及生产更可靠、更廉价的光学滤波器提供了新思路。

Pine教授,本文第一作者、纽约大学物理系的博士后研究员Mingxin He,以及本文的通讯作者、纽约大学化学系的副教授Stefano Sacanna,已经在自组装胶体金刚石上攻关了十余年。比人类发丝直径小几百倍的纳米颗粒组成的胶体,可以以互相连接的方式排列成不同的晶体结构。每一个胶体颗粒通过固定在胶体表面的DNA链连接到另一个上,DNA链就像分子魔术贴一样将胶体紧紧连接在一起。当胶体在液浴中相互碰撞时,DNA链断裂,胶体就会连接起来。根据DNA链粘在胶体上的位置,胶体可以自发形成各式复杂结构。

图1 胶体金刚石晶格模型

图1 胶体金刚石晶格模型

这一过程已被用于制造胶体线、胶体立方体。然而这些结构都不能用于制造光电子领域的“圣杯”—— 光子带隙。正如电路中过滤电子的半导体一样,光子带隙材料可以选择光线的波长。如果将胶体颗粒排列成金刚石形态,就可以实现光波长选择;但这在商业上难以实现,且成本高昂。

“许多工程师都非常想使用胶体制造出金刚石结构。”Pine教授说。“大多数研究者都放弃了这个念头,说实话,我们也许是此领域世界上仅剩的研究组了。所以我觉得,这项研究结果的发表应该会震惊整个学界。”

研究参与人员之一——Etienne Ducrot(曾是纽约大学工学院的博士后研究员,如今就职于法国国家科学研究中心保罗帕斯卡研究所),以及韩国成均馆大学的Gi-Ra Yi,发现可以利用立体互锁机制,自发产生必要的交错键,实现金刚石结构。当胶体颗粒相互靠近时,它们在必要的方向上连接起来,形成金刚石结构。这种机制使胶体无需借助外力,自发形成结构,不需要通过使用纳米机器进行复杂且成本昂贵的设计过程。此外,形成的金刚石结构非常稳定,即使液浴被移除,结构仍可保持稳定。

这项成果得益于He在纽约大学工学院做研究生时的经历。他发现自己正在合成的胶体表现出了不寻常的特征,呈现金字塔状。他和他的同事设想了这些结构连接的所有可能方式,最后偶然发现了一种特殊的相互连接结构。“在尝试了所有的模型之后,我们最终成功制造出了金刚石结构。”他说。

美国陆军作战能力发展司令部,美国陆军研究办公室的项目负责人Evan Runnerstrom博士说:“Pine博士长期以来寻求的自组装胶体金刚石晶格,首次得到实现。三维光子晶体将为**部的重要技术开启新的研究和发展机会。” 他解释道,此项研究未来的应用前景包括制备更轻、更符合高精度探测及定向能量系统需求的高效激光,三维集成光子电路中对光线的精准控制,以及光学签名管理。“我非常激动,此项研究结果完美的迎合了美国陆军研究办公室材料设计项目的核心目标:支持高风险、高回报的研究,以底层到顶层的设计,制造以往不可能制造出的材料。”

团队成员还包括纽约大学物理系研究生John Gales和宾夕法尼亚大学的博士后Zhe Gong,他们都曾是纽约大学化学系的研究生,目前正专注于研究胶体金刚石在实际中的应用。他们已经用新结构制造出了能过滤掉部分光波长的材料,以证明胶体金刚石未来的应用前景。

文章Colloidal diamond见:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2718-6。

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