在奈米材料中，形狀就是命運。也就是說，材料中粒子的幾何形狀決定了材料的物理特性。史丹佛大學的材料工程師利用三維列印技術製造了數以萬計的難以製造的奈米粒子，這些奈米粒子有望開發出能夠瞬間改變形狀的新材料。

截斷四面體形成多個六邊形晶粒的光學影像（上圖）。鍵序分析透過不同的顏色顯示出不同的六邊形晶粒（下圖）。顏色相同的相鄰四面體表示它們具有相同的晶粒取向。比例尺為20 微米。資料來源：David Doan 和John Kulikowski

史丹佛大學機械工程助理教授溫迪-顧（Wendy Gu）在介紹她發表在《自然-通訊》（Nature Communications）雜誌上的最新論文時說：”由奈米球軸承構成的晶體與由奈米骰子構成的晶體的排列方式不同，這些排列方式將產生截然不同的物理性質。我們利用三維奈米列印技術製造出了已知最有前景的形狀之一–阿基米德截頂四面體。它們是尖端被削掉的微米級四面體”。

在這篇論文中，Gu 和她的合著者描述了他們如何奈米列印出數以萬計的這種具有挑戰性的奈米粒子，將它們攪拌到溶液中，然後觀察它們如何自我組裝成各種有前景的晶體結構。更重要的是，只需將這些粒子重新排列成新的幾何圖案，這些材料就能在幾分鐘內實現不同狀態之間的轉換。

這種改變”相位”的能力–材料工程師將其稱為”變形”特性–類似於將鐵變成回鋼的原子重新排列，也類似於使計算機能夠以數字形式存儲TB 級寶貴數據的材料。

她說：”如果我們能學會控制由這些阿基米德截斷四面體製成的材料中的這些相移，就能引領許多有前景的工程方向。”

長期以來，人們一直認為阿基米德截頂四面體（ATT）是最理想的幾何形狀之一，可用於生產易於改變相位的材料，但直到最近，這種材料的製造仍具有挑戰性–在電腦模擬中可以預測，但在現實世界中卻很難再現。

Gu 很快指出，她的團隊並不是第一個大量生產奈米級阿基米德截頂四面體的團隊，但他們是第一批（如果不是第一批的話）使用三維奈米列印技術實現這一目標的團隊之一。

“利用三維奈米列印技術，我們幾乎可以製造出任何想要的形狀。我們可以非常小心地控製粒子的形狀，”Gu 解釋。 “透過模擬預測，這種特殊形狀可以形成非常有趣的結構。當你能以各種方式將它們組合在一起時，它們就會產生有價值的物理特性。”

ATT 至少形成兩種非常理想的幾何結構。第一種是六邊形圖案，其中的四面體平放在基底上，截斷的頂端朝上，就像一座奈米級山脈。 Gu 說，第二種可能更有前景。它是一種準鑽石晶體結構，其中的四面體在朝上和朝下的方向上交替排列，就像雞蛋放在雞蛋盒裡一樣。這種鑽石排列方式被認為是光子學界的”聖杯”，可以引領許多新的有趣的科學方向。

最重要的是，如果設計得當，未來由三維列印顆粒製成的材料可以快速重新排列，在應用磁場、電流、熱量或其他工程方法的情況下，很容易在不同階段之間來回切換。

Gu 說，她可以想像，太陽能板的塗層可以全天變化，以最大限度地提高能源效率；飛機機翼和窗戶可以使用新時代的疏水薄膜，這意味著它們永遠不會起霧或結冰；還有新型電腦記憶體。這樣的設想不勝枚舉。

“現在，我們正在努力使這些粒子具有磁性，以控制它們的行為方式，”Gu 談到她已經在進行的最新研究時說，她正在以新的方式使用阿基米德截頂四面體奈米粒子。 “各種可能性才剛開始探索。”

編譯自: ScitechDaily