纳米晶超晶格的结构形成及其相关的力学问题

由配体分子包覆纳米晶粒自组装而成的纳米晶超晶格结构，是目前极为重视的光电器件材料和光学超材料。此类材料具有类似于原子晶体的点阵结构，但晶粒之间通过不同的弱相互作用力联系，因而导致许多奇妙的力学现象。纳米晶超晶格最突出的特点是其结构以及光电和力学性能都敏感地依赖于晶粒的尺寸，具有丰富的可调控性。本项目采用理论、实验和计算相结合的方法，系统研究纳米晶超晶格自组装制备过程中的结构调控及其相关的一系列关键力学问题，包括纳米晶和配体系统中的竞争相互作用、纳米晶超晶格的结构形成与多形化机理、纳米晶超晶格的可控与可重构自组装、以及依赖于晶粒尺寸的纳米晶超晶格力学行为等。本项目研究不但有助于揭示纳米晶超晶格自组装和奇妙力学现象的本质，为相关材料的制备和器件应用提供理论参考，而且有可能为新型多功能材料的设计提供新的思路。

由配体分子修饰纳米晶粒自组装而成的纳米晶超晶格结构，是目前引起广泛研究兴趣的光电器件材料和光学超材料。此类材料具有类似于原子晶体的点阵结构，但晶粒之间以更弱得方式相互作用，因而导致许多奇妙的力学现象。纳米晶超晶格最突出的特点是其结构以及光电和力学性能都敏感地依赖于晶粒几何与配体长度，具有丰富的可调控性。本项目采用理论、实验和计算相结合的方法，系统研究纳米晶超晶格自组装过程中的结构形成及其相关的关键力学问题，包括纳米晶和配体系统中的竞争相互作用、纳米晶超晶格的结构形成与多形化机理、纳米晶超晶格的可控与可重构自组装、以及依赖于晶粒几何和配体长度的纳米晶超晶格力学行为等。. 本项目的主要成果包括：1.揭示了配体修饰纳米晶相互作用的基本规律，发现配体分子的主导作用，量化了配体长度与晶粒尺寸比对相互作用各向异性的重要影响。2.提出了与变形耦合的配体介质相互作用的连续介质理论模型，归纳了介质连通或非连通以及可压缩或不可压缩条件下的相互作用特征。3.解释了硫醇修饰纳米晶二维超晶格的形成机制，分析了离散团簇和分形状结构的形成原因，提出了大尺寸膜状结构的形成条件。4.阐明了纳米晶尺寸和配体长度对三维纳米晶超晶格晶粒间距的调控作用，在此基础上提出了配体修饰纳米晶相互作用多体效应的定量表征方法。5.量化了纳米晶尺寸和形状以及配体长度等对三维纳米晶超晶弹性性能的影响，发现了弹性模量在拉伸和压缩过程中的不对称性。6.发展了一种新的二维纳米晶超晶格粗粒化模拟策略，首次实现了其拉伸行为的全过程模拟，预言了非线性弹性变形、塑性流动以及断裂破坏等力学现象。7.合成了一系列具有新颖原子结构的纳米晶组装基元，表征了光电功能特性，探索了其组装结构在纳米光电子学和能量转换器件等方面的潜在应用。这些成果为纳米晶超晶格自组装规律和力学行为提供了新的认识，也为为相关材料的制备和器件应用提供了可靠的理论依据。