突破性的新一步创建自组装超材料的过程

明尼苏达大学的研究人员在研究一种名为锡酸锶（SrSnO3）的薄膜材料时，发现在纳米尺度上惊人地形成了棋盘状图案，类似于采用昂贵的多步工艺制造的结构。他们的结果表明，设计类似的自组装结构在电子和光学设备材料中具有广泛应用的现实可能性。

由明尼苏达大学双城分校的研究人员领导的团队发现了一种开创性的一步式过程，可以创建具有独特属性的材料，称为超材料。他们的结果表明设计类似的自组装结构的现实可能性，并具有创建“按订单制造”的纳米结构的潜力，可广泛应用于电子和光学设备。

这项研究已经发表并刊登在《纳米快报》的封面上，《纳米快报》是由美国化学学会出版的同行评审科学期刊。

通常，超材料是在实验室中制造的材料，可提供特定的物理，化学，电和光学特性，否则无法在天然材料中找到它们。这些材料具有独特的性能，使其成为从光学滤光片和医疗设备到飞机隔音和基础设施监控的各种应用的理想之选。通常，这些纳米级材料是在专门的洁净室环境中经过几天和几周的辛苦生产而成的，而且要经过多步骤的制造过程。

在这项新的研究中，明尼苏达大学的一个团队正在研究一种名为锡酸锶或SrSnO3的薄膜材料。在研究过程中，他们注意到纳米级棋盘图案的惊人形成，类似于在昂贵的多步骤过程中制造的超材料结构。

该研究的资深作者，材料合成专家巴拉特·贾兰（Bharat Jalan）说：“起初我们认为这一定是一个错误，但很快意识到周期性模式是同一材料具有不同晶体结构的两相的混合物。”是明尼苏达大学化学工程与材料科学系的Shell主席。“在与明尼苏达大学，乔治亚大学和纽约城市大学的同事进行咨询之后，我们意识到我们可能已经发现了一些非常特殊的东西，并且可能具有某些独特的应用。”

该材料自一相转变为另一相时自发地组织成有序结构。在所谓的“一阶结构相变”过程中，材料进入混合相，其中系统的某些部分完成了过渡，而其他部分则没有。

明尼苏达大学航空工程与力学大学的教授，著名的麦克奈特大学教授理查德·詹姆斯说：“这些纳米级的周期性模式是这种材料中一阶结构相变的直接结果。”“我们的工作首次为纳米电子和光子系统利用可逆结构相变提供了许多可能性。”

实际上，该团队演示了一种有史以来第一个自组装可调谐纳米结构的过程，该过程只需一步就可以创建超材料。研究人员能够使用温度和激光波长来调整在单个膜中存储电荷特性的能力。他们有效地创建了效率高达99％的可变光子晶体材料。

研究人员使用高分辨率电子显微镜证实了这种材料的独特结构。

这项研究的合著者，高级电子显微镜专家Andre Mkhoyan教授说：“我们观察到这些结晶相之间的边界在原子尺度上被清晰地定义了，这对于自组装过程而言是显着的。”明尼苏达大学化学工程与材料科学系的Ray D.和Mary T. Johnson / Mayon Plastics主席。

研究人员现在正在寻找在光学和电子设备中发现它们的未来应用。

“当我们开始这项研究时，我们从未考虑过这些应用。我们受到了材料物理学基础研究的推动，” Jalan说。“现在，突然之间，我们似乎开辟了一个全新的研究领域，这是由许多新的令人兴奋的应用程序的可能性所驱动的。”

参考：“使用马氏体相变的自组装周期性纳米结构”，作者Abhinav Prakash，王天奇，Ashley Bucsek，Tristan K.Truttmann，Alireza Fali，Michele Cotrufo，Hwanhui Yun，Jong-Woo Kim，Philip J.Ryan，K。 AndreaAlù，Yohannes Abate，Richard D.James和Bharat Jalan，2020年12月2日，Nano Letters.DOI：
10.1021 / acs.nanolett.0c03708

除了Jalan之外，该团队还包括明尼苏达大学的研究人员Abhinav Prakash，Ashley Bucsek，Wangqi，Tristan K.Truttmann，Hwanhui Yun，K.Andre Mkhoyan和Richard James。乔治亚大学研究人员Alireza Fali和Yohannes Abate；纽约城市大学的研究人员Michele Cotrufo和AndreaAlù；以及Argonne国家实验室的研究人员Jong-Woo Kim和Philip J. Ryan。

这项研究主要由美国国家科学基金会（NSF）和空军科学研究所（AFOSR）资助，并得到明尼苏达大学环境研究所，挪威百年教席计划和两个Vannevar Bush教师奖学金的额外支持。明尼苏达大学的涉及薄膜表征的工作得到了美国能源部的支持。部分研究在美国国家科学基金会的部分资助下，在明尼苏达大学明尼苏达州纳米中心和表征设施进行。Argonne国家实验室为美国能源部科学技术办公室运营的科学用户设施办公室Advanced Photon Source完成了其他工作。