巧搭“原子砖”，让纳米材料“指哪长哪”

来源：科技日报
记者：夏凡
通讯员：姚瑶

在仅相当于头发丝直径万分之一的原子砖微观尺度上，科研人员能否像搭乐高积木一样，巧搭将不同元素与结构精准组装，让纳实现“指哪长哪”的米材原子级控制？这并非科幻构想，而是原子砖宁波东方理工大学温诗辉副教授团队刚刚实现的纳米“可编程”合成突破。

该团队巧妙融合晶格失配工程与位点选择性生长技术，巧搭为高复杂度异质纳米晶的让纳可控合成提供了关键技术支持。相关重磅成果近日发表于国际顶级学术期刊《美国国家科学院院刊》（PNAS）。米材

传统合成技术的原子砖局限与痛点

走进温诗辉的实验室，通风柜内的巧搭玻璃反应器宛如微观世界的“建筑工地”。在这里，让纳“砖块”是米材原子，化学反应是原子砖组装动力，而晶格规则、巧搭反应参数及表面配体则是让纳微观“施工工具”。

自纳米科学兴起以来，异质纳米晶凭借多组分协同效应，已成为催化、光子学及生物医学等领域的核心材料。然而，随着应用需求日益严苛，传统合成技术暴露出两大短板：
1. 结构单一：多数异质纳米晶仍局限于简单的“核壳”结构，难以构建复杂的三维层级体系。
2. 不可控性：异质化材料生长高度依赖经验，科研人员难以把握晶格失配与生长行为之间的内在关联，导致复杂纳米体系的精准构筑长期受阻。

什么是晶格失配？
温诗辉将其比喻为不同厂家积木的接口差异。晶格即原子排列的“队形”，不同材料原子间距不同。当两种材料拼接时，若原子间距差异（晶格失配）过大，界面处会产生错位甚至应力积累，阻碍材料继续生长；若差异极小，则能严丝合缝地拼接。

变“拦路虎”为“指挥棒”：晶格—配体协同调控

为实现纳米材料的精准制备，团队必须攻克两大难题：
* 晶格适配：解决接口尺寸差异导致的结构缺陷。
* 位点控制：防止新材料随机附着，实现预定位置的精准生长。

团队以稀土氟化物纳米晶为模型体系，利用高分辨透射电子显微镜和X射线衍射技术进行原子级“CT扫描”，解析界面处的晶格畸变与应变分布。研究发现，晶格失配产生的可控应变，反而能调控外延材料的生长方向与形貌。

1. 绘制“晶格失配—生长模式”相图

论文第一作者、博士后王蕊介绍，稀土纳米晶体家族成员众多，其离子半径及对应的氟化物晶格参数可连续调节，是研究晶格失配的理想模型。
团队以六方相氟化钇钠（NaYF₄）纳米棒为基底，外延生长了8种不同晶格参数的稀土氟化物，首次绘制出晶格失配—生长模式相图，揭示了以下定量关系：
* 失配度 < 2.0%：材料丝滑贴合，形成均匀包覆层。
* 失配度 2.0%—5.1%：精准“点缀”，形成类似“长棍镶嵌红宝石”的岛状结构。
* 失配度 > 7.1%：新材料“自立门户”，形成独立纳米颗粒，无法实现外延生长。

这一发现为“可编程”合成提供了底层物理逻辑。

2. 配体调控实现“位点选择性”生长

在明确物理机制后，团队引入配体调控策略。通过对比表面活性剂，发现油酸/油酸盐等强结合配体能有效保护纳米棒晶面，仅暴露棱边。
* 生长标记：棱边成为优先“施工点”。
* 精准定位：在温和反应条件下，通过调控配体浓度和温度，棱边成核率高达99.8%，实现近乎完美的位点选择性生长。

温诗辉形象地比喻：“过去材料‘自由发挥’，现在有了塔吊和施工线，能精准定位每一块‘砖’的位置。”

按需定制：从原理到应用的跨越

“我们的终极目标是实现材料制备的编程化按需定制。”温诗辉表示。

1. “对号入座”的多段结构合成

为实现多元素生长的“按需结合”，团队设计了7段交替结构的纳米棒基底。当加入两种不同的稀土氟化物前驱体时，它们会识别基底，优先选择晶格参数匹配的分段进行生长，自动完成“对号入座”。
* 成果：成功制备出一根包含4种元素、14个功能段的多级纳米晶。
* 尺寸：仅160纳米长、50纳米宽，实现了原子级复杂结构的精准控制。

2. 广阔的应用前景

基于此原理的异质结构已在多个领域展现巨大潜力：
* 生物医学：设计异质结构可将稀土纳米晶的X射线余辉发光强度提升数十倍，助力低剂量高分辨三维成像；上转换发光多元异质结构已在肿瘤诊疗中取得显著效果。
* 催化与能源：精确构筑的异质界面赋予材料多重催化活性，开辟高效能源转化新路径。
* 量子信息：精确组装的纳米结构有望支撑高性能单光子源，推动量子计算发展。

3. 未来展望

这种“指哪长哪”的原子级操控能力，未来有望催生智能响应伤口环境的敷料、执行复杂任务的体内纳米机器人，乃至“材料编译器”。

“过去纳米材料受限于单一结构，现在我们可以像编程一样设计材料，赋予其多种预期性能。”温诗辉总结道。

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