被称为嵌段共聚物的自组装材料已知能形成多种可预测的规则图案，麻省理工学院的一个研究团队表示，如今它们已能被制成复杂得多的图案，这可能为材料设计开辟新的领域。
相关新发现发表于期刊《自然·通讯》（Nature Communications），论文题为《论文》，作者包括博士后研究员丁懿，材料科学与工程教授阿尔弗雷多·亚历山大-卡茨（Alfredo Alexander-Katz）和卡罗琳·罗斯（Caroline Ross），以及其他三位研究人员。
“这在某种意义上是一个偶然的发现，”亚历山大-卡茨说。“所有人都认为这是不可能的，”他说，并描述了团队的这一发现：一种现象使聚合物能够自组装成偏离规则对称排列的图案。
自组装嵌段共聚物是一类材料，其链状分子最初处于无序状态，会自发排列成周期性结构。研究人员此前发现，如果在基底上制作出重复的线条或柱状图案，再在该表面形成一层嵌段共聚物薄膜，基底上的图案就会在自组装材料中被复制。但这种方法只能制造出简单的图案，例如点阵或线阵。
在新方法中，存在两种不同且不匹配的图案。一种来自蚀刻在基底材料上的一组柱子或线条，另一种则是由自组装共聚物自身形成的固有图案。例如，基底上可能是矩形图案，而共聚物自身形成的是六边形网格。人们可能会预料到由此产生的嵌段共聚物排列会严重缺乏有序性，但团队的发现并非如此。相反，罗斯说，“它形成了一种更为出人意料、更为复杂的结构。”
结果发现，这里存在一种微妙而复杂的有序结构：相互交错的区域形成了略有不同但规则的图案，类似于准晶体，它们的重复方式与普通晶体并不完全相同。在本例中，图案确实会重复，但重复的距离比普通晶体更长。罗斯说：“我们正在利用分子过程，借助嵌段共聚物材料在表面上制造这些图案。”
研究人员表示，这可能为制造具有特定光学系统特性的器件，或“等离子体器件”开辟新途径，后者中电磁辐射会以精确调谐的方式与电子发生共振。此类器件需要纳米尺度图案具备非常精确的定位和对称性，而这一新方法能够实现这一点。
凯瑟琳·米兹拉希·罗德里格斯（Katherine Mizrahi Rodriguez）当时作为本科生参与了该项目，她解释说，团队制备了许多此类嵌段共聚物样品，并用扫描电子显微镜对其进行研究。丁懿在攻读博士学位期间参与了这项工作，她说，他“开始反复查看，想看看是否出现了什么有趣的图案。”“这些新发现正是由此逐步形成的。”
由此产生的奇特图案是“聚合物想要形成的图案与模板之间相互‘角力’的结果”，亚历山大-卡茨解释说。这种角力导致原有对称性被打破，并在其内部形成具有不同对称类型的新子区域。他说：“这是大自然找到的解决方案。试图调和这两种图案之间的关系，结果却产生了第三种结构，打破了两者的图案。”研究人员将这些新图案描述为“超晶格”。
在创造出这些新颖结构之后，团队进一步建立了模型来解释这一过程。共同作者、2019年获博士学位的卡里姆·加德尔拉布（Karim Gadelrab）表示：“建模工作表明，这些涌现的图案实际上在热力学上是稳定的，并揭示了形成这些新图案的条件。”
丁懿表示：“我们从热力学角度完全理解了这一体系”，而这一自组装过程“使我们能够制造精细的图案，并获得某些原本难以制造的新对称性。”
他表示，这消除了光学和等离子体材料设计中一些现有的局限，从而“开创了一条新路径”，用于材料设计。
迄今为止，团队的工作仅限于二维表面，但在正在进行的工作中，他们希望将这一过程扩展到第三维度，罗斯说。“三维制造将是一项改变游戏规则的技术。”她说。罗斯表示，目前用于微型器件的制造技术是逐层构建，但“如果能够一次性三维构建整个物体”，这可能会使该过程效率大大提高。
麻省大学阿默斯特分校高分子科学与工程领域的西尔维奥·O·孔特杰出教授托马斯·P·拉塞尔（Thomas P. Russell）表示，这些发现“开辟了新途径，可用于生成纳米制造的模板，其对称性是仅凭共聚物本身无法实现的。”拉塞尔并未参与这项工作。他补充说，这“为探索更大的参数空间提供了可能性，以发现论文中讨论之外的其他对称性。”
拉塞尔表示：“这项工作质量极高，”并补充说：“理论与实验的结合非常有力，正如文中所示，两者之间的吻合程度非常好。”
