納米科學：發現從水晶中創造材料創造了新的範例！
仔細觀察，你會發現自然界中到處都是巧妙的模式。科學家和工程師早就了解這一點，但模仿大自然母親建造這種模式 - 尤其是高度有序的晶體結構 - 已經證明具有挑戰性。最近，太平洋西北國家實驗室（PNNL）的Maria Sushko和Kevin Rosso通過用新的計算方法澄清基於粒子的晶體生長背後的驅動力，顯著提高了理解能力。他們了解到晶體生長取決於原子，離子，分子和粒子之間相互作用的微妙平衡。他們的發現為創造解決能源挑戰的材料帶來了巨大希望。
在天然晶體生長過程中，納米顆粒構建塊沿著特定的晶面附著。研究這些例子後，研究人員開始思考如何為包括儲能在內的一系列實際應用創造類似的晶體結構。通過更深入地了解晶體生長途徑的基本過程研究人員可以控制這些過程來合成具有精確細節的新材料。在他們的研究中，Sushko和Rosso發現離子在納米粒子表面附近的協調運動驅動納米粒子排列成匹配晶體形狀和結構的方式。他們發現溶液中的離子可以將納米粒子的旋轉引導到匹配的晶體取向 - 精確模仿自然的圖案 - 以產生完美的晶體。
PNNL研究人員的發現為導致礦物形成的地球化學過程提供了關鍵的基本見解，並有助於在實驗室中創建複雜的，分層的單晶結構。它還有望最終為消費電子產品，電池等創造創新材料。根據Sushko的說法，他們的新計算方法為催化和儲能技術的一系列實際應用創造了「基於知識的高度有序三維晶體結構合成的新範例。
Rosso和Sushko開發了一種新的多尺度計算模型，其中包含原子，分子和粒子之間作用的基本力。他們的方法跨越了從埃斯到半微米的長度範圍，並且可以完全轉移到各種系統。該方法深入植根於量子力學，並為實驗相關系統的建模提供了無參數方法。
他們的新計算方法是朝著開發基於粒子的結晶的綜合理論邁出的重要一步。未來的研究將擴展該模型，以包括更廣泛的宏觀力量，如磁極化和電極化。該模型還將進一步應用於其他材料，以深入了解各種結晶途徑。