最近哥伦比亚工程研发中心的研究人员展示一项新技术，这项技术的灵感来自牡蛎的壳，这种复合材料的强度和韧性等机械性能优异。通过改变与纳米颗粒充分混合的聚合物的结晶初始速度，在三个不同尺度下，成功地控制着纳米颗粒自发的结构成型。这种多尺度的定制，让基材硬度提升了一个数量级，并且保持了我们需要的聚合材料的形变能力与轻便特性 。Bykhovsky化学工程教授Sanat Kumar领导研发的这项研究成果以题名为“Tunable Multiscale Nanoparticle Ordering by Polymer Crystallization”发表在《ACS Central Science》(美国化学学会核心科学)期刊上。

聚合物纳米复合材料领域的研究人员们，已经在无定形的聚合物基体（即未结晶的聚合物）中，实现了对纳米颗粒组织的简单控制，但是直到现在还没有人能够将纳

米颗粒组装到结晶的聚合物基体中。

有一种依赖冰体模板的方法。用这种方法，研究人员们可以将小分子结晶（主要是水）组织成胶体颗粒。但是根据内在动力学，这个过程中，颗粒通常回被排挤到微晶粒的边界，所以研究人员们一直无法模仿珍珠和贝壳来定制多尺度的纳米颗粒。

Kumar团队发现通过在聚合物（聚环氧乙烷）溶液中混合纳米颗粒，并通过改变亚冷却程度来改变结晶速度熔点进行结晶，他们可以在三个不同的微观和宏观尺度下，成功地控制着纳米颗粒自发的结构成型，每个纳米颗粒均匀地由聚合物覆盖，并在结晶过程开始之前均匀间隔。当聚合物结晶时，纳米颗粒然后组装成片（10-100nm），并由片构成微米级的聚集体（1-10μm）。

Kumar说“这种受控的自组装是重要的，因为它可以提高材料的刚度，同时保持它们的坚韧性，而且这些材料保留了低密度的纯半结晶聚合物，因此我们可以保持结构部件的低质量，这点对于汽车和飞机这样重要的应用来说，非常重要。我们可以改变颗粒或聚合物，以达到某些特定的材料行为或器件性能需求。这些新型结构替代复合材料的潜力巨大，它们可能对可持续材料以及我们国家的基础设施产生深远的影响