一篇美輪美奐的Science:七種元素把合金進行到底!

2021-02-25 納米人

第一作者：Peng-Cheng Chen

通訊作者：Chad A. Mirkin

通訊單位：美國西北大學

 

研究亮點：

1. 系統合成了最多七元金屬的納米合金的樣品庫。

2. 首次製備得到了四相異質納米顆粒。

3. 揭示了表面和界面能量之間的平衡如何影響相和界面結構。

 

先看圖

 

 


為什麼要研究多元合金和相界面？只是因為好看？

一般來說，由多種元素組成的熱力學穩定的合金金屬納米顆粒可以呈現幾種不同的相，從而形成多個界面。 由多相納米顆粒中的相界產生的界面，不僅在結構上限定納米顆粒，而且會引入內部結構不連續性，並促進相鄰域之間的電子相互作用。例如，跨納米顆粒界面發生的電荷轉移可用於調節等離子體和催化性質。此外，當鄰近相外延時，應變工程可以調製材料的電子結構，而且兩個疇之間的界面可能富含高能缺陷用於增強催化性能。

 

Chad A. Mirkin及本文第一作者Chen在2016年建立的五元合金樣品庫/Science

Peng-Cheng Chen, Xiaolong Liu, Chad A.Mirkin et al. Polyelemental nanoparticle libraries. Science 2016, 352,1565-1569.

本研究擬解決的關鍵問題

隨著多相，多元納米顆粒的發展趨向於更大的組成多樣性和結構複雜性，理解如何在一個粒子中建立特定類型的界面，對於設計新型功能性納米結構至關重要。目前，合成多元納米異質結的策略很多，但是對於其中的熱力學相仍然知之甚少，對於為什麼形成特定結構，表面和界面能量在控制形成特定結構中的所起的作用尚不明了。

 

成果簡介

有鑑於此，美國西北大學Chad A. Mirkin團隊報導了一種七元合金的相和界面的控制合成策略，揭示了表面和界面能量之間的平衡如何影響相和界面結構。  

 

要點1：多元合金製備

研究人員使用掃描探針嵌段共聚物光刻（SPBCL）技術，基於Au，Ag，Cu，Co, Ni五種元素，在納米反應器中與PdSn合金系統性構建形成多元金屬納米顆粒資料庫。研究表明，三相納米粒子具有兩個或三個界面結構，四相納米粒子表現出多達六個界面。

 

觀察1：對於具有n個相的多元納米顆粒，可能的界面數應該在n-1和n（n-1）/ 2之間。

觀察2：雙相結構不能用於預測具有三相或更多相的結構。

觀察3：熱力學結構是表面和界面能量之間平衡的結果（例如，對於三相結構，規定三界面或雙界面結構的可能性）。

觀察4：三相納米顆粒中未觀察到的界面，在更多相的納米顆粒中也不會存在。

 

要點2. 理論建立

結合實驗工作和密度泛函理論計算，研究人員根據可識別PdSn合金與其他金屬（Au，Ag，Cu，Co和Ni）之間的混溶間隙，深入了解表面和界面能之間的平衡，並基於此建立了一套合成熱穩定多元異質結構的設計規則，最終形成了由Au，Co，Pd，Sn和Ni製成的具有六個相界的、前所未有的四相納米顆粒。

 

小結

總之，這項研究為多元異質結的構建提供了更系統的理論指導，為金屬納米異質結在催化、電子器件等領域的應用提供了更多借鑑。除此之外，美輪美奐的納米合成藝術，讓科研的世界變得更美好！

 

參考文獻：

Peng-Cheng Chen, Chad A. Mirkin et al. Interfaceand heterostructure design in polyelemental nanoparticles. Science 2019, 363,959-964.

http://science.sciencemag.org/content/363/6430/959

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