科學家炫技四面體拼出八晶胞金剛石

科學家*近發現了一種由納米級四面體“拼裝”出的全新金剛石結構——八晶胞金剛石。它不僅密度更低，還藏著微觀世界的“光學密碼”。

一、八晶胞金剛石的發現與獨特結構

美國布魯克海文國家實驗室FangLu研究員、哥倫比亞大學OlegGang教授、密歇根大學SharonC.Glotzer教授等人在“NatureMaterials”期刊上發表的論文，揭示了這一新結構的奧秘。他們發現了一種由納米級固態四面體形成的低密度“八晶胞金剛石”結構。這種結構的晶胞可不簡單，里面包含64個四面體，還有8個立方金剛石子單元。

從整體來看，這個晶體是非手性的，但它卻是由具有相反手性的雙層結構組成。奇妙的是，金四面體的等離子體性質，讓晶體表面產生了手性光學響應，仿佛給晶體賦予了一種特殊的光學“魔法”。

二、實驗過程與結構觀察

為了制備這種神奇的八晶胞金剛石結構，科學家們采用了溶劑蒸發的方法。他們將用十六烷基三甲基氯化銨（CTAC）包覆的金納米四面體滴在疏水的聚氨酯樹脂涂層硅基底上，然后耐心等待溶劑慢慢蒸發。

在結構觀察方面，掃描電子顯微鏡（SEM）立下了大功。通過SEM，能看到形成了像小島一樣的結構，還有明顯的臺階狀特征。高倍SEM圖像里，大、小三角形和黑色的三角形空隙清晰可見，它們分別對應著不同位置的金四面體。更有趣的是，雙層結構還呈現出2D“渦旋”圖案，相鄰雙層的手性相反，就像微觀世界里一個個左旋、右旋的小漩渦。

三、手性光學響應的奇妙現象

當光線照射晶體表面，奇妙現象發生：

在650-820納米波長范圍內，左旋和右旋區域的散射光強度差異顯著。

盡管晶體整體對稱，但表面隨機暴露的手性層能與光產生“互動”，這種特性在光學傳感器或加密材料中潛力巨大。

四、八晶胞金剛石結構的特點與形成機制

八晶胞金剛石結構的晶胞參數很獨特，包含64個四面體，有四種不同取向。沿著[111]方向看，能看到四個相交的立方晶胞。而且，四面體在雙層內的旋轉形成了特殊的二維蜂窩狀圖案和三角形空隙，相鄰雙層的四面體旋轉方向相反，這讓結構對稱性和普通金剛石排列不同。

關于形成機制，通過晶格能計算，考慮范德華力、靜電斥力和耗盡相互作用，發現四面體的旋轉角度和CTAC濃度、雙層厚度有關。在疏水性基底上，四面體先形成花瓣環圖案，這個圖案就像一個“溫柔的小窩”，能穩定上面的八金剛石晶體。而親水性基底會限制四面體的運動，導致形成不同的結構。

五、研究意義與未來展望

這項研究發現了納米級四面體自組裝成八金剛石結構的現象，揭示了通過粒子-基底相互作用影響膠體結晶的新方法，拓展了納米粒子自組裝的技術手段。

未來，也許我們能利用這個發現，制造出更多具有特殊性能的材料，在光學、電子等領域發揮大作用。例如，利用其獨特的手性光學響應，開發新型的光學器件；或者利用其特殊的晶體結構，提升電子材料的性能。

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