第一作者：Zhimin Jiang
通訊作者：James H. Pikul
通訊單位：賓夕法尼亞大學
主要內容
納米晶格具有優異的機械力學、能量轉換、光學性質，但是目前難以保證在搭建大納米晶格的同時保證緊密和規則的納米結構。有鑒于此，賓夕法尼亞大學James H. Pikul等報道一種能搭建無裂紋的厘米尺度Ni納米晶格的自組裝方法，比以往報道具有顯著增加的無裂紋區域。具體發展了一種濕模板自組裝法避免可能形成的裂痕，通過靜電相互作用力輔助金屬電化學沉積，從而導致Ni納米晶格展示了優異的光子顏色。
得到的Ni納米晶格具有100 nm周期圖案，由30 nm的Ni晶粒密堆積排列形成，在1.12 %的應力條件下抗拉強度達260 MPa，接近多孔Ni的理論強度極限，相同相對密度多孔材料最好結果的2.6倍。通過較高的強度、較低的密度，Ni納米晶格有望替代多孔Ti，同時體積能夠降低50 %，質量比多孔Fe低50 %，比其他納米晶格的體積低10倍。
傳統自組裝方法
在傳統的自組裝過程中，通過蒸發水，納米粒子在導電基底表面組裝為fcc晶格結構。在自組裝過程中，頂部蛋白結構干燥，同時靠近水相-空氣界面處保持濕潤和完整性，隨后當水逐漸蒸發，得到干燥的自組裝基底。隨后通過基底煅燒除去模板，得到納米晶格結構。隨后分別將納米粒子進行煅燒、通過電化學沉積向形成的空腔內沉積Ni形成納米晶格。最后消除殘留模板，得到Ni的納米晶格。
新型自組裝方法
圖1.經典、新型反蛋白結構納米晶格（a）經典“蛋白結構”自組裝（b）“反蛋白結構”合成（c）經典“蛋白結構”中的裂縫（d）新型“蛋白結構”自組裝（e）新型無裂縫“蛋白結構”（f）乙二醇、丙三醇改善自組裝過程（g）經典電化學沉積（h）新型電化學沉積
經典自組裝蛋白顆粒的過程中面臨著產生裂紋的缺點，作者發現通過向膠體顆粒的分散液中加入低蒸汽壓的醇分子能夠緩解形成裂紋。這是因為低蒸汽壓的有機醇分子能夠在水蒸發的過程中凝聚在空隙附近，因此阻止了干燥產生裂紋。
具體的，乙二醇、丙三醇能夠實現防止干燥和避免裂紋的作用，隨后考察不同濃度的有機醇效果，發現當加入有機醇的量過多將無法實現fcc密堆積自組裝結構，當甘油的體積濃度為0.06 %能夠很好的形成高品質的自組裝結構，同時避免形成裂紋。
由于通常自組裝過程實用帶負電的納米粒子，比如硫酸化聚苯乙烯微球（SP）、硫酸化聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），此類負電性的微球由于在電化學沉積Ni的過程中由于靜電排斥非常容易導致從基底上脫落。
為了解決該問題，作者使用帶正電的微粒（表面修飾氨基，并且通過質子化修飾正電荷）克服靜電排斥相互作用。而且由于正電微粒表面攜帶非常強的靜電相互作用力，無需煅燒步驟能夠直接進行電化學Ni沉積。
同時，這種自組裝方法不僅避免煅燒步驟，而且與以往的技術相比，得到的自組裝納米晶格厚度提高了10倍，能夠對厘米尺度的樣品進行操作，同時防止裂縫形成，并且保持較好的光學性質。之前的方法中最高能夠保證厚度達16層納米粒子的自組裝，新方法由于無需進行煅燒處理，而且自組裝納米粒子的厚度理論上最高可以達到500 μm。作者在實驗中實現了90 μm厚的Ni納米晶格，厚度達到傳統方法的10倍以上。進一步的，作者發現2 cm2尺度的納米自組裝晶體能保持無裂紋，面積比傳統的方法提高了20000倍。
納米晶格抗拉伸性能
圖2.納米晶格與其他材料的力學性質比較
通過改進的自組裝方法構建了厘米尺度納米晶格，因此能夠用于研究納米晶格的宏觀拉伸機械強度。因為以往的研究很少能夠實現>1 cm2面積的納米晶格，因此相關研究通常需要微米尺度的立方/圓柱狀樣品。
作者在ITO玻璃上構建2.4 cm的Ni納米晶體，隨后將其從ITO上剝離，考察其拉伸性質。作者通過拉伸測試驗證了納米晶格表現超高的拉伸強度，測試發現平均破壞應變為1.12 %。作者將合成的Ni納米晶格與其他相關報道結果（的）的性質進行比較。結果顯示，Ni納米晶格的極限拉伸強度（UTS）-相對密度比其他代表性多孔金屬、納米晶格/氣凝膠的性能更好，UTS強度比其他納米晶格材料、納米多孔石墨烯、氣凝膠的性能高至少一個數量級。由于Ni納米晶格具有較高的極限拉伸強度UTS和低密度，Ni納米晶格比多孔Ti的彎曲載荷體積低50 %，對多孔Fe的彎曲載荷質量低50 %，而且體積是納米多孔石墨烯或者其他納米晶格材料體積的1/10。
參考文獻：
Jiang, Z., Pikul, J.H. Centimetre-scale crack-free self-assembly for ultra-high tensile strength metallic nanolattices. Nat. Mater. (2021).
DOI: 10.1038/s41563-021-01039-7
https://www.nature.com/articles/s41563-021-01039-7
