近日，合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院宋曉輝副教授團(tuán)隊在納米材料原位成像領(lǐng)域取得重大進(jìn)展。研究利用液相透射電子顯微鏡（LPTEM）、冷凍透射電子顯微鏡（Cryo-TEM）以及三維電子斷層掃描等手段，在原子分辨率下首次動態(tài)揭示了金屬核殼納米線的三階段生長過程。相關(guān)成果以《Observation of nanoparticle coalescence during core-shell metallic nanowire growth in colloids via nanoscale imaging》為題，于2025年5月23日發(fā)表在國際知名期刊《Nature Communications》，合肥工業(yè)大學(xué)為第一通訊作者單位，第一作者為材料科學(xué)與工程學(xué)院2022級碩士生楊大海，通訊作者為材料科學(xué)與工程學(xué)院宋曉輝副教授。

圖1：原位TEM揭示殼/核AuAg合金納米線生長過程

金屬納米線由于其獨特的形貌和晶體結(jié)構(gòu)調(diào)控能力，在能源轉(zhuǎn)換、光電器件、電催化等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。其中，核殼結(jié)構(gòu)金屬納米線因其表面結(jié)構(gòu)的精細(xì)調(diào)控能力成為材料設(shè)計的重要研究方向。然而，核殼納米線一維結(jié)構(gòu)所帶來的界面復(fù)雜性，使其生長機(jī)制長期處于“黑箱”狀態(tài)，尤其缺乏原子尺度下的生長動態(tài)認(rèn)知。針對這一難題，研究團(tuán)隊引入先進(jìn)的液相透射電子顯微技術(shù)（LPTEM）和冷凍透射電鏡（Cryo-TEM），結(jié)合三維電子斷層掃描手段，實現(xiàn)了納米線生長過程的實時追蹤與立體重建。

在實驗過程中，研究人員以貴金屬（Au、Pd、Pt）及過渡金屬（Fe、Ni、Cu、Ru）為外殼材料，系統(tǒng)研究了其在AuAg種子納米線表面沉積、生長與融合的全過程。研究發(fā)現(xiàn)，該過程可以分為三個典型階段：異相成核、納米顆粒附著與融合。與傳統(tǒng)“二步成核—生長模型”不同，團(tuán)隊提出了顆粒協(xié)同融合驅(qū)動的三階段新機(jī)制。其中，貴金屬納米顆粒更傾向于沿〈111〉晶向優(yōu)先融合形成表面光滑的核殼結(jié)構(gòu)，而過渡金屬則融合行為各異，表面粗糙程度顯著增加。

為排除電子束對實驗過程的干擾，研究團(tuán)隊還采用了低劑量LPTEM成像、冷凍固定快照，以及三維斷層重建等多種方法相互印證，首次在無有機(jī)配體的膠體體系中成功實現(xiàn)了金屬納米顆粒融合行為的三維原子分辨率重構(gòu)。此外，通過應(yīng)變分布分析與分子動力學(xué)模擬，研究進(jìn)一步揭示了金屬沉積誘發(fā)的納米線內(nèi)部應(yīng)力演化路徑，為雙螺旋結(jié)構(gòu)的形成提供了新的力學(xué)解釋。

圖2： 電子斷層掃描3D重構(gòu)圖像，明確晶向融合方向

圖3：應(yīng)變分析與仿真揭示結(jié)構(gòu)演變的應(yīng)力起源

實驗結(jié)果表明，該三階段生長機(jī)制在手性與非手性種子納米線中均適用，具有良好的普適性，且不依賴于晶體結(jié)構(gòu)或外加配體。這一發(fā)現(xiàn)不僅拓展了納米晶體傳統(tǒng)生長理論，也為核殼結(jié)構(gòu)設(shè)計、界面調(diào)控提供了新的范式，對未來可編程納米材料的合成具有重要指導(dǎo)意義。

本研究依托合工大的分析測試中心電鏡平臺，充分發(fā)揮了團(tuán)隊在原位高分辨成像、圖像處理與材料構(gòu)建機(jī)制研究方面的多學(xué)科交叉優(yōu)勢。該成果的取得，有力提升了合肥工業(yè)大學(xué)在功能納米材料合成設(shè)計方向的國際影響力。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-60135-3

新聞鏈接：https://news.hfut.edu.cn/info/1011/72835.htm

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