今日Science：溶液中单个配体保护的纳米晶体3D原子结构的关键差异

来源：材料人

材料的三维（3D）原子排列决定了它们的物理和催化特性。由于表面悬空键、缺陷和位错的优势以及有限尺寸所固有的量子效应，纳米晶体的3D结构通常会偏离其整体对应物的周期性原子排列。这样的偏差在直径小于4nm的小纳米晶体中更加明显。这些独特的物理特性使纳米晶体成为非均相催化剂具有吸引力。

合成的纳米晶群体趋于具有异质的原子结构，因为要对单个纳米晶体的水平进行统一控制非常困难。典型的胶体合成中使用的有机配体和溶剂会协调表面原子，并进一步影响纳米晶体的晶体和电子结构。因此，要了解它们独特的性质，需要从溶液相直接在单个纳米晶体的水平上精确和可重复地测定单个原子的位置，而大多数催化和化学反应都发生在溶液相中。

可以通过电子断层扫描确定纳米晶体的3D原子结构，从而从倾斜的透射电子显微镜（TEM）图像序列重建结构。然而，该方法依赖于在真空下和衬底下的图像采集，这会导致纳米晶体的结构变形。此外，由于缺少投影方向，空间分辨率在3D空间中经常不均匀。作为替代方法，基于冷冻TEM的单粒子重建也不适合研究异质纳米晶群体，因为该分析依赖于从大量假设具有相同结构的不同粒子收集的2D图像。之前曾引入3D SINGLE作为解决溶液中纳米晶体3D结构的直接方法，但获得的分辨率仅足以确定3D的整体形态和对如何分析此类信息以提取关键结构因素仍然受到限制。

今日，在韩国基础科学研究所(IBS)、首尔国立大学Jungwon Park，美国劳伦斯伯克利国家实验室Peter Ercius和澳大利亚莫纳什大学Hans Elmlund团队（共同通讯作者）带领下，与韩国延世大学、韩国建国大学、美国加州大学和美国卡夫利纳米科学研究所合作，开发了一种“布朗单粒子重建”方法（原子分辨率3D SINGLE），并将其应用于分析溶液中单个Pt纳米晶体的3D原子排列。高分辨率3D密度图显示了来自同一合成批次和拟合原子模型的8个单独的Pt纳米晶的fcc结构的结构异质性，包括单晶度、畸变和位错。3D原子位置的精确分配（±19 pm）允许直接研究晶格膨胀、内部缺陷、表面和位错平面附近的应变及其对自由能的贡献。结果表明，在基于SINGLE方法的实际溶液中得到的结构信息可以为未来改进合成和理解当前材料的性能提供重要的新指导。相关成果以题为“Critical differences in 3D atomic structure of individual ligand-protected nanocrystals in solution”发表在了Science。

图2 单晶Pt纳米晶体的原子结构分析