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美國與德國科學家首次探討了超晶格(superlattice)如何形成。超晶格是奈米微粒週期性組裝而成的新型功能性材料(functional material)，可望應用於諸多科技領域，譬如光伏元件、發光二極體以及熱電學thermoelectrics, TE)上。不過，要在控制下大量製造超晶格結構，得先了解這些粒子如何透過複雜的成核(nucleation)和其他過程而聚集。
在成核階段初期，奈米微粒會隨機聚集，形成範圍有限的短程有序非晶結構；接著，為了讓結構的總自由能(free energy)降至最低，粒子會形成長程有序的超晶格，過程中經歷許多不同且複雜的成核過程及成長步驟，而且都與微粒的表面覆蓋配體(surface-capping ligand)及周圍溶劑的交互作用有關。
此研究團隊包含康乃爾大學、馬克斯普朗克膠體暨界面研究所(Max Planck Institute of Colloids and Interfaces)與漢堡大學的成員，他們以油酸包覆的硫化鉛(PbS)奈米微粒(粒徑3.5 nm)進行實驗，在不同的溫度與壓力下觀察粒子如何在溶液中聚集。他們利用了自行研發的觀測技術－高解析同步小角度與廣角X光散射技術[high-resolution synchrotron small-angle (SAXS) and wide-angle X-ray scattering (WAXS)]，來追蹤發生於奈米微粒核心與配位體的原子結構變化。
研究結果顯示，奈米微粒主要在非結晶形(amorphous)、體心立方(bcc)及面心立方(fcc)等三種型態下成核，改變微粒間距可控制形成的超晶格類型，而無須調整微粒大小。例如，間距增加會使粒子堆疊較為鬆散但形成更有序的排列，此外覆蓋分子(capping molecule)會重整並改變結構，使總表面能產生變化。
團隊主持人Zhongwu Wang指出，他們發現奈米微粒似乎會使結構中的熵(entropy)最大化或焓(enthalpy)最小化，以便透過與表面分子間的多重交互作用降低總自由能。他們希望這些發現能使科學家在建構超晶格模型時考慮表面覆蓋分子的重要性，在應用上或許也有助於製造具有特定結構、粒子間距離與大小的材料。
該團隊目前計畫探討雙體(binary)奈米微粒及其他更複雜的奈米結構，他們打算研究不同大小與形狀的奈米微粒，進而建立一系列結構與性質的關係圖表。詳見Nano Letters | DOI: 10.1021/nl400084k。 |