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Nat.Commun.“見證”納米顆粒的自組裝過程

【引言】

如何預測和控製材料的自發合成是目前材料科學領域的一個重要課題。對於原子尺度的反應，科學家已發展出一係列較為完善的理論（例如過渡態理論、反應速率方程和精細平衡原理等），用以解釋原子組合形成分子和晶體的過程。然而對於納米尺度的膠體體係，科學家一直缺乏合適的理論工具來解釋納米顆粒連接的動態機理。因此，目前科學家常選擇從現有原子尺度的理論模型出發，尋找解釋納米顆粒自發連接的新思路。

【成果簡介】

近日來，來自美國伊利諾伊大學的Qian Chen(通訊作者)在Nature Communications上發表了題為Imaging the polymerization of multivalent nanoparticles in solution的文章，類比高聚物逐步聚合反應的過程，提出了對於理解膠體體係自組裝過程的新思路。該團隊以金納米棱鏡的連接過程為模型，指出納米顆粒自組裝與高分子單體的聚合有很多共通之處：首先，膠體顆粒連接過程中“鏈”的生長與單體的逐步聚合十分相似；其次，產物的鍵角都由顆粒間的相互作用決定；最後，最終產物的形貌都由單體單元的價態決定。該研究團隊通過在液態透射電鏡（liquid-phase TEM）下實時觀測納米顆粒運動過程中留下的軌跡，進一步驗證了這一理論模型的合理性。

【圖文導讀】

圖一：金納米棱鏡通過逐步增長聚合連接成鏈

a.用帶負電的硫醇塗覆金納米棱鏡，並在三角形的三個端點進行標記；

b.金納米棱鏡的點對點連接；

c.液相TEM照片顯示金納米棱鏡鏈的連接過程；

d.隨著時間變化，不同長度片段在產物中的比例；

e.不同時間下的平均片段長度；

f.隨著時間變化，不同長度片段比例（nx/NL）分布。

圖二：金納米棱鏡“點對點”連接的瞬時圖像

a.納米棱鏡間質心距離d，棱鏡尖端距離dp,兩棱鏡相對偏角α的定義；

b-d.納米棱鏡相互靠近的實時TEM圖像及此過程中質心距離和相對偏角的變化

圖三：長程排斥力在納米棱鏡相互靠近過程中的影響

a.棱鏡質心距離和相對偏角的分布圖，將棱鏡間的相互作用分為不相互作用-預排列-相互連接三種情況；

b.相對偏角在各分區分布的概率圖；

c.納米棱鏡附近的等電勢曲線；

d.兩金納米棱鏡在“邊對邊”和“點對點”情況下的等勢能曲線。

圖四：棱鏡偏角與產物鍵角的關係

a.液相TEM觀測下的鍵角分布（0-60°）；

b.兩種連接方式下的二體單元和三體單元；

c.兩種不同棱鏡尖端曲率；

d.相對偏角及棱鏡曲率和棱鏡間相互作用勢的關係。

圖五：棱鏡配位幾何與最終產物形貌的關係

a.庫倫作用增強引起單體單元價態升高；

b.液相TEM下隨時間演變，金納米棱鏡的連接過程。

【小結】

該研究團隊通過研究液相TEM圖象，建立起從分子尺度到納米尺度的微觀世界顆粒運動的理論模型，為自組裝現象的預測和調控提供了有力的理論工具。金納米棱鏡這種類二維的聚集現象還可以延伸到其他有基底材料的體係中。簡言之，這種類似高分子聚合的膠體自組裝現象為研究人員理解微觀世界提供了新思路；這種思路不僅可以應用於無機體係中，在聚合物膠束及蛋白質體係中也有廣闊的應用前景。

本文由材料人編輯部學術幹貨組黃子芸供稿，材料牛編輯整理。

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最後更新：2017-10-12 13:19:52

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