今天你可以在口袋里装一整台电脑，因为自1950年代以来，技术构建模块变得越来越小。但为了创造未来几代的电子产品——比如更强大的手机、更高效的太阳能电池，甚至量子计算机——科学家们需要以最小的规模提出全新的技术。

一个感兴趣的领域是纳米晶体。这些微小的晶体可以将自己组装成多种配置，但科学家们很难弄清楚如何让它们相互交流。

一项新的研究在使纳米晶体以电子方式共同发挥作用方面取得了突破。该研究于3月25日发表在《科学》杂志上，可能会为未来具有新功能的设备打开大门。

“我们将这些称为超原子构建块，因为它们可以赋予新的能力——例如，让相机在红外范围内看到，”该论文的通讯作者、芝加哥大学教授DmitriTalapin说。“但直到现在，将它们组装成结构并让它们相互交谈非常困难。现在我们第一次不必选择。这是一种变革性的改进。”

在他们的论文中，科学家们制定了设计规则，这些规则应该允许创建许多不同类型的材料，博士JoshPortner说。化学专业的学生和该研究的第一作者之一。

一个小问题

科学家们可以从许多不同的材料中生长出纳米晶体：金属、半导体和磁铁都会产生不同的特性。但问题在于，每当他们试图将这些纳米晶体组装成阵列时，新的超晶体就会在它们周围生长出长长的“毛发”。

这些毛发使电子难以从一个纳米晶体跳到另一个纳米晶体。电子是电子通讯的信使;他们轻松移动的能力是任何电子设备的关键部分。

研究人员需要一种方法来减少每个纳米晶体周围的毛发，这样他们就可以更紧密地将它们包裹起来并减少它们之间的间隙。芝加哥大学化学与分子工程教授欧内斯特·德维特·伯顿(ErnestDeWittBurton)杰出服务教授、芝加哥大学高级科学家塔拉平说：“当这些间隙仅小三倍时，电子跨越的概率大约高出10亿倍。”阿贡国家实验室。“它随着距离的变化非常强烈。”

为了剃掉头发，他们试图了解原子水平上发生了什么。为此，他们需要阿贡纳米材料中心的强大X射线和SLAC国家加速器实验室的斯坦福同步辐射光源，以及强大的化学和物理模拟和模型。所有这些使他们能够了解表面上发生的事情，并找到利用其生产的关键。

生长超晶体的部分过程是在溶液中完成的，即在液体中。事实证明，随着晶体的生长，它们会经历一种不同寻常的转变，气相、液相和固相共存。通过精确控制该阶段的化学成分，他们可以制造出外观更硬、更薄的晶体，这些晶体可以更紧密地包装在一起。“了解他们的相位行为对我们来说是一个巨大的飞跃，”波特纳说。

完整的应用范围仍不清楚，但科学家们可以想到该技术可以引领的多个领域。“例如，也许每个晶体都可以是量子计算机中的一个量子比特;将量子比特耦合到阵列中是目前量子技术的基本挑战之一，”塔拉平说。

波特纳还对探索超晶体生长过程中不寻常的物质中间状态感兴趣：“像这样的三相共存非常罕见，以至于思考如何利用这种化学反应并制造新材料很有趣。”

该研究包括芝加哥大学、德累斯顿工业大学、西北大学、亚利桑那州立大学、SLAC、劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校的科学家。