▲第一作者：Mingxin He;通讯作者：Stefano Sacanna& David J. Pine
通讯单位：New York University;
DOI：10.1038/s41586-020-2718-6
背景介绍胶体颗粒自组装形成立方金刚石晶体结构可以潜在地用于制造具有光子带隙的材料。这种结构材料特有的抑制光自发辐射的优势使得其在光波导，滤波器和激光谐振器的应用中很有价值，对于改进光收集技术以及其他应用也很有价值。而在这些应用中，立方金刚石比其他自组装结构（如面心立方结构）更容易自组装，因为金刚石的带隙宽很宽，且对缺陷的敏感性较低。此外，金刚石晶体中的带隙出现在约2的折射率差处，这意味着可以使用已知材料在光频率下实现光子带隙；对于面心立方晶体，这似乎是不可能的。然而，胶体金刚石的自组装具有挑战性。因为钻石晶格中的粒子是四面体配位的，因此一种方法是自组装带有四面体粘性斑块的球形粒子。但这种方法缺乏一种机制来确保斑块状球选择最近邻粒子上四面体键的交错方向，而这恰恰又是立方金刚石所必需的。
本文亮点1、本文从DNA杂交技术寻找灵感，报道了一种DNA辅助诱导自组装产生立方金刚石晶体结构的新方法——通过使用部分压缩的四面体簇和缩回的粘性贴片，结合本文提出空间互锁机制，并使用方向性交互作用（贴片-贴片粘合）（该机制将有吸引力的补丁定向为所需的交错构象）自组装合成胶体立方金刚石。
2、光子能带结构计算表明，所得晶格（正向和反向）具有良好的光学特性，包括宽而完整的光子带隙。3、自组装立方金刚石结构中的胶体颗粒受到高度约束且机械稳定，这使得可以干燥悬浮液并保留金刚石结构。使得这些结构成为形成具有立方金刚石对称性的高介电对比度光子晶体的合适模板。
▲图1. 胶体金刚石晶格示意图和空间填充模型
要点：1、 将选择交错构象所需的旋转信息利用DNA杂交技术写入粒子的形状，并使用成形胶体簇来指导胶体自组装。
2、在四个三角形面的每个面的中心涂有DNA设计具有自互补粘性末端的DNA贴片，在DNA贴片的熔化温度Tm以下，不同颗粒上的贴片具有吸引力且补片的径向范围从球形凸角的凸包形成的平面缩回。这意味着仅当不同粒子上的叶以交错构象取向时，不同粒子的斑块上的DNA可以相互到达并结合。
▲图2. 压缩四面体斑块簇合成
要点：1、 压缩比和尺寸比可通过改变增塑剂（THF）的浓度和所用表面活性剂的类型进行微调：压缩比为0，表示四个原始聚苯乙烯颗粒已聚结为一个球；压缩比为1，表示群集完全不被压缩。
2、 通过使用不同的表面活性剂（可控制TPM液滴与其聚苯乙烯簇之间的润湿角），可以改变其尺寸比，本文发现使用十二烷基硫酸钠（SDS）可以得到适量的润湿。（TPM=甲基丙烯酸3-三甲氧基甲硅烷基丙基酯）
▲图3. 立方金刚石胶体晶体结晶分析
要点：1、 HOOMD-blue软件模拟指导粒子的设计并验证其可能结晶为立方钻石的条件。
2、 扫描电子显微镜观察补骨脂素交联自组装合成胶体金刚石的干燥样品，证实干燥后晶体保存良好。
▲图4. 相对带隙与压缩比的依赖关系
要点：1、 簇状金刚石晶格在第二和第三能带之间均具有完整的光子带隙，这与常规球体金刚石晶格的光子特性一致。
2、 使用压缩簇（0.1≤dcc /（2a）≤0.8）打开了逆晶格（非重叠球体没有带隙出现（dcc /（2a）= 0））的带隙。 此外，可以通过调控折射率的值实现最宽的带隙。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2718-6
