做材料学研究如何发表Nature.comm，案例分析-优快云博客

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在材料科学中，自组装出高度对称且多孔的棋盘格晶格一直是个难题。传统方法依赖生物分子的化学相互作用，复杂且受限。近期一项顶级期刊的研究突破了这一难题，展示了一种新方法，通过多种物理力效应，从胶体纳米晶体中自组装出棋盘格晶格，无需化学键合。

研究团队使用双功能化的胶体银纳米立方体，在空气-水界面上进行组装，并结合分子动力学模拟，成功实现了周期性的棋盘格结构。这项研究不仅推进了对纳米晶体相互作用的理解，还提出了新的自组装材料设计策略。

本文将解读这项研究的方法和创新思路，探讨其在材料科学和纳米技术中的应用前景。

论文简介

标题：Self-assembly of nanocrystal checkerboard patterns via non-specific interactions

第一作者：Yufei Wang

通讯作者：Gaurav Arya ，Andrea R. Tao

通讯单位：杜克大学，加州大学圣地亚哥分校

期刊：Nature Communications（ IF：17.694 ）

PMID: 38724558

PMCID: PMC11081958

DOI: 10.1038/s41467-024-47572-2

研究背景

自组装技术在纳米材料的设计和应用中具有重要意义。然而，创建开放、多孔且对称的棋盘格晶格通常需要特定的化学相互作用，这在生物分子系统中较为常见，但在无机纳米材料中实现起来较为困难。现有的方法通常使用各向异性的粒子形状或表面化学，但仍面临生成致密、紧密堆积结构的挑战。因此，本文研究的目标是通过利用聚合物接枝金属纳米晶体的多种非特定分子间相互作用，开发一种无需化学键合的自组装方法，生成精确互连的无机纳米晶体晶格。

论文速览

棋盘格状晶格——具有高度对称性、开放性、多孔性的结构，但这种结构在自组装过程中难以形成。采用这种结构的合成系统通常依赖于仅可用于生物分子系统（例如蛋白质、DNA）的形状互补和位点特异性化学相互作用。

作者研究了通过非特异性相互作用自组装形成的纳米晶体棋盘格状图案。利用多种耦合物理力（界面、粒子间和分子间力）在不同长度尺度上的效果，实现了胶体银纳米立方体的自组装，而不依赖于化学键合。

通过分子动力学模拟与界面组装实验之间的反馈，作者实现了具有周期性棋盘格介观结构的组装，该结构代表了与实验中使用的聚合物接枝纳米晶体相关的相空间的一小部分。本工作不仅扩展了对非特异性纳米晶体相互作用的认识，而且提出了一种计算引导的自组装材料设计策略。

图文导读

图1：银纳米晶体自组装成棋盘格介相

图2：两种配体修饰的纳米晶体在界面上的预测组装行为

图3：Ag NC中相图的实验验证

图4：棋盘格晶格组装中的缺陷及相应的优化

试验方法

表征测试

扫描电子显微镜 (SEM)：用于观察和表征纳米晶体的组装结构，特别是检查棋盘格子结构的形成和纳米晶体的连接方式。

光学光谱：用于确认纳米立方体在水相中的浸没程度。

动态光散射 (DLS)：用于测量纳米立方体的水合直径。

电感耦合等离子体质谱 (ICP-MS)：用于分析配体的包装密度。

模拟计算

粗粒化分子动力学 (CG MD) 模拟：使用粗粒化（CG）模型进行分子动力学模拟，以预测和验证纳米晶体在空气-水界面的组装行为。模拟帮助确定了纳米晶体的面朝上取向是形成棋盘格子结构的关键。

角度交叉相关 (ACC) 分析：对SEM图像进行二维傅里叶变换，以提取局部的四重对称性，并通过角度交叉相关（ACC）分析来确认棋盘格子结构。

相图模拟：通过MD模拟生成相图，展示不同条件下纳米晶体的组装相态。

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创新思路

非特异性相互作用的利用：传统上，棋盘格晶格结构的自组装依赖于形状互补性和特定的化学相互作用（如蛋白质和DNA系统）。本文创新性地利用了多种耦合的物理力（界面力、粒子间力和分子间力），而不依赖于化学键合。
双配体功能化策略：采用了两种配体（疏水性和亲水性）的混合功能化策略。疏水性配体引入了纳米立方体之间的吸引力，而亲水性配体引入了排斥力。这种双配体系统允许同时控制粒子的定向和连接性，这是单一配体系统难以实现的。
计算指导的组装策略：结合粗粒化分子动力学（CG MD）模拟和实验，研究开发了一种计算指导的策略，用于优化纳米晶体的组装条件。这种迭代反馈的方法提高了组装的精确性和可控性。
空气-水界面组装方法：通过在空气-水界面上进行纳米晶体的自组装，避免了基底相互作用和溶剂限制，成功生成了大规模的二维棋盘格结构。
多尺度相互作用的控制：通过化学编程和集成多种相互作用（界面力、熵驱动的空间排斥力、疏水力和粒子形状），实现了对纳米立方体结合、价键和定向的精确控制。
广泛的应用潜力：所实现的棋盘格结构具有两个关键功能特性：形状孔隙可用于化学分离和捕获，强耦合的四极等离子体共振可产生独特的光学行为。这些特性展示了该方法在纳米制造、传感、催化和光伏等领域的广泛应用潜力。

总结展望

通过实验和模拟相结合的方法，作者研究了如何利用非特异性化学相互作用精确地组装具有特定连接的纳米晶体。

实现的棋盘格状结构具有两个关键功能特性：

(1) 具有特定形状的孔隙，可用于化学分离或捕获；

(2) 四极等离子体共振的强耦合，产生独特的光学行为。通过控制界面和粒子间以及分子间的相互作用，实现了低密度和中等密度NC介相的自组装。粗粒化模型作为探索相空间和识别关键实验参数的有效工具，展示了其在合成介观结构设计中的潜力。

该研究的双接枝策略简单而有效，为组织其他无机物质形成类似结构提供了一种通用的方法，这些结构在纳米制造、传感、催化和光伏等领域具有潜在的应用。