纳米粒子可在晶体生长中充当“人造原子”

在晶体的生长过程中，纳米粒子是否能够充当“人造原子”，成为构建复杂分子结构的积木？这一理论一直存在争议。美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的一项研究或能解决上述争论，并为未来的能量转换和储存设备发展指明方向。相关研究报告发表在近日出版的《科学》杂志上。该实验室材料科学部门的科研人员利用透射电子显微镜和先进的液体池处理技术，对由铂、铁纳米粒子构成的纳米棒的生长轨迹进行了实时观测。成像分辨率可达半埃（光谱线波长单位），比单个氢原子的直径还要短。观测结果有力地支持了纳米粒子在晶体生长中充当“人造原子”角色的理论。在观测中，纳米粒子会由定向附着开始，在溶液中形成弯曲的多晶链，并逐渐排列起来，首尾相连形成能延展至单个晶体纳米棒的细长纳米线，其长度厚度比可达40∶1。由此可见，在纳米晶体的生成过程中，纳米粒子链和纳米粒子为构建纳米棒提供了基本的建筑模块，整个流程十分巧妙而高效。此前，类似的观测通常只限于晶体生长的前几分钟，而新研究能够有效延长这一时间达数小时，可谓在纳米粒子生长轨迹观测方面取得的重大进展。研究人员表示，之所以选择铂、铁纳米棒作为研究对象，是因为电催化材料有望应用于下一代的能量转换和存储设备。研究具有不同形状、结构的胶状纳米晶体生长的关键在于长久保持观察窗内的液态环境，以使反应能够完全发生。他们在有机溶剂中溶解铂、铁的分子前体，利用毛细管压促使生长溶液进入氮化硅液体池中，并利用环氧树脂胶密封。科研人员强调，对于液体池的密封十分重要，可使池内的液体不至于变粘。一旦液体粘滞，就将阻碍纳米粒子的相互作用，从而抑制晶体的生长。而在之前的研究中，这一情况时有发生。根据研究人员的观测，单个纳米粒子仅会存在于晶体生长的初始，随后其将被短链的纳米粒子所取代，并最终形成长链的纳米粒子。这在单个分子和分层的纳米结构之间搭设了桥梁，也为合理设计出具有可控特性的纳米材料铺平了道路。（来源：科技日报张巍巍）