密歇根大学和印第安纳大学研究人员进行的一项新研究显示，现在可以通过电子显微镜、带有微通道的小样品架和计算机模拟相结合的方法观察纳米级构建块如何按照指令重新排列成不同的有组织的结构。
该方法最终可以实现能够在不同光学、机械和电子特性之间切换的智能材料和涂层。
“自然界中这种现象我最喜欢的例子之一就是变色龙，”密歇根大学化学工程博士生、《自然化学工程》杂志上发表的研究报告的第一作者之一托拜厄斯·德怀尔 (Tobias Dwyer) 说。
“变色龙通过改变皮肤中纳米晶体之间的间距来改变颜色。我们的梦想是设计一个动态的、多功能的系统，可以像我们在生物学中看到的一些例子一样好。”
成像技术让研究人员可以实时观察纳米粒子如何对环境变化做出反应，为观察它们的组装行为提供了一个前所未有的窗口。
在这项研究中，印第安纳团队首先将纳米颗粒(一种比普通细菌细胞更小的材料)悬浮在微流体流动池的微小液体通道中。这种装置允许研究人员在电子显微镜下观察混合物的同时，将不同类型的液体快速冲入细胞。
研究人员了解到，该仪器给予纳米粒子(通常彼此吸引)足够的静电排斥力，将它们推开，并让它们组装成有序的排列。
纳米颗粒是由金制成的立方体，它们要么完美地排列成整齐的簇，要么形成更混乱的排列。材料的最终排列取决于悬浮块的液体的性质，而将新液体冲入流动池会导致纳米块在两种排列之间切换。
该实验验证了如何将纳米粒子引导到所需结构中的概念。纳米粒子太小，无法手动操作，但这种方法可以帮助工程师学会通过改变环境来重新配置其他纳米粒子。
“你以前可能能够将粒子移到新的液体中，但你无法实时观察它们对新环境的反应， ”开发了这项实验技术的印第安纳大学化学副教授兼这项研究的主要通讯作者叶星辰说。
“我们可以用这个工具对许多类型的纳米级物体进行成像，比如分子链、病毒、脂质和复合颗粒。制药公司可以使用这种技术来了解病毒在不同条件下如何与细胞相互作用，这可能会影响药物开发。”
研究人员表示，在实际的可变形材料中，电子显微镜并不是激活粒子的必需品。光线和 pH 值的变化也可以达到这一目的。
但要将该技术扩展到不同类型的纳米粒子，研究人员需要知道如何改变液体和显微镜设置来排列粒子。密歇根大学团队进行的计算机模拟通过识别导致粒子相互作用和组装的力，为未来的工作打开了大门。