纳米立方体自组装形成的棋盘图案的扫描电镜图像。比例尺= 500 nm，插入= 100 nm。来源:Wang et al

研究人员已经设计出纳米大小的立方体，当它落在水面上时，可以自发地形成一个二维棋盘图案。这项研究发表在《自然通讯》杂志上，提出了一种简单的方法，通过一种叫做自组装的技术来创建复杂的纳米结构。

“这是一种很酷的方法，可以让材料自我构建，”该研究的资深作者之一、加州大学圣地亚哥分校李宇峰家族化学与纳米工程系教授安德里亚·陶说。“你不需要进入纳米制造实验室，做所有这些复杂而精确的操作。”

每个纳米立方体都是由一个银晶体组成的，表面附着着疏水(油性)和亲水(亲水)分子的混合物。当这些纳米立方体的悬浮液被引入水面时，它们会自行排列，使它们在角落边缘接触。这种安排创造了一个实心立方体和空空间的交替模式，从而形成棋盘图案。

这种自组装过程是由纳米立方体的表面化学性质驱动的。表面高密度的疏水分子将立方体聚集在一起，以尽量减少它们与水的相互作用。与此同时，亲水分子的长链会产生足够的斥力，在立方体之间产生空隙，形成棋盘图案。

为了制造这种结构，研究人员将纳米立方体悬浮液滴在一个装有水的培养皿上。通过将衬底浸入水中并缓慢取出，使纳米结构覆盖在衬底上，得到的棋盘可以很容易地转移到衬底上。

这项研究源于加州大学圣地亚哥分校材料研究科学与工程中心(MRSEC)多个研究小组之间的合作努力。这项工作的特点是计算技术和实验技术的协同结合。“我们已经在计算和实验之间建立了一个连续的反馈循环，”陶说。

“我们使用计算机模拟来帮助我们在纳米尺度上设计材料并预测它们的行为。我们还利用实验室的实验结果来验证模拟，对其进行微调，并建立更好的模型。”

在设计材料时，研究人员选择了银晶体纳米立方体，因为陶实验室在它们的合成方面具有专业知识。确定最佳的表面化学需要大量的计算实验，这是由杜克大学机械工程与材料科学系教授、该研究的资深作者之一Gaurav Arya领导的。

模拟确定了附着在纳米立方体上的最佳分子，并预测了这些立方体如何在水面上相互作用和组装。利用Tao实验室获得的实验数据，对模拟进行了迭代改进。该研究的合著者、加州大学圣地亚哥分校物理系教授亚历克斯Frañó的实验室通过电子显微镜证实了所期望的棋盘结构的形成。

Tao设想了纳米立方棋盘在光学传感中的应用。“这样的纳米结构可以以有趣的方式操纵光，”她解释说。立方体之间的空间，特别是立方体连接的角落边缘附近，可以作为微小的热点，聚焦或捕获光线。这对于制造纳米级滤光片或波导等新型光学元件可能很有用。”

研究人员计划在未来的研究中探索棋盘的光学特性。