DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-025-60135-3

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近日，合肥工業(yè)大學宋曉輝副教授團隊在《Nature Communications》期刊上發(fā)表突破性成果，題為《Observation of nanoparticle coalescence during core-shell metallic nanowire growth in colloids via nanoscale imaging》（DOI: 10.1038/s41467-025-60135-3）。該研究首次通過原位液相透射電子顯微鏡（LPTEM）與冷凍電鏡（Cryo-TEM）聯(lián)用三維電子斷層掃描，在原子尺度下完整解析了金屬納米線核殼結(jié)構(gòu)的“生長三部曲”過程，為功能性納米材料的精準合成與結(jié)構(gòu)調(diào)控提供了理論基礎和技術路徑。

背景介紹

納米線的表面形貌和晶體結(jié)構(gòu)直接影響其聲子傳輸、電催化等性能，但傳統(tǒng)研究受限于實時原子級成像技術，難以捕捉生長動態(tài)。盡管納米顆粒的生長機制已較為清晰，但核殼納米線的一維特性及表面相互作用復雜性使其生長機制仍存在諸多未解之謎。本研究通過液相透射電鏡（LPTEM）和冷凍電鏡（Cryo-TEM）等技術，首次在無有機配體的膠體體系中，揭示了納米線生長的完整動力學路徑。

本文亮點

（1）三階段生長機制：提出納米線生長的三階段模型（異相成核→納米顆粒附著→融合），不同于傳統(tǒng)的晶體的兩步成核生長理論。

（2）晶向選擇性融合：通過高分辨原位成像發(fā)現(xiàn)，貴金屬（Au、Pd、Pt）納米顆粒傾向于沿〈111〉方向與種子納米線融合，而Fe、Ni等過渡金屬則表現(xiàn)出不同融合行為傾向于沿〈110〉方向與種子納米線融合，展現(xiàn)出金屬種類對形貌調(diào)控的決定作用。

（3）技術突破：結(jié)合液相透射電鏡（LPTEM）、冷凍透射電鏡（Cryo-TEM）與3D電子斷層掃描（ET）等手段，首次實現(xiàn)無有機配體體系中納米線生長過程的原子級時間-空間解析，為納米晶體生長研究樹立了新范式。

（4）研究覆蓋多種貴金屬與過渡金屬（Au、Pd、Pt、Fe、Ni、Cu、Ru），并在手性與非手性種子納米線中均驗證了該機制，顯示出其高度通用性與廣泛適應性。

圖文解析

圖1：Pd在AuAg手性納米線上的沉積過程

圖1A：手性AuAg種子納米線的初始晶格結(jié)構(gòu)，為典型的Boerdijk-Coxeter-Bernal（BCB）雙螺旋構(gòu)型；圖1B：Pd原子在納米線表面快速成核并沿〈111〉晶向沉積，納米線直徑在6.5秒內(nèi)從2 nm增長至3.3 nm；圖1C：展示Pd納米顆粒在34秒內(nèi)迅速附著于納米線表面，是納米顆粒吸附過程的直接證據(jù)；圖1D：最終形成具有明顯Pd顆粒“結(jié)節(jié)”的雙螺旋核殼結(jié)構(gòu)；圖1E：以圖解方式總結(jié)提出的三階段生長模型：異相成核 → 顆粒附著 → 融合。

圖2：冷凍電鏡揭示中間態(tài)

冷凍電鏡（Cryo-TEM）避免了電子束干擾，捕捉了Pd沉積過程中的多個關鍵“中間快照”。圖2A-C：對應Pd沉積1~5分鐘，清晰展示了納米顆粒在不同時間點的吸附與融合狀態(tài)；圖2D-E：Pd顆粒附著在AuAg納米線表面，并最終形成螺旋核殼結(jié)構(gòu)；圖2F-H：通過冷凍STEM顯示Pd顆粒沿〈111〉方向與種子納米線融合，同時EDX確認了Pd元素沉積；圖2I-L：對比Au沉積，盡管也沿〈111〉方向融合，但納米線表面更為平滑，顆粒附著數(shù)量較少。

圖3：核殼納米線生長過程中納米顆粒融合的三維斷層掃描分析

通過深度學習輔助三維原子重構(gòu)，揭示了二維圖像難以識別的融合界面。圖3A-D：Pd納米顆粒以特定角度附著并融合于AuAg納米線〈111〉晶面；圖3E-I：其他金屬（Au、Fe、Ni、Cu、Ag）在不同實驗條件下也表現(xiàn)出納米顆粒融合行為，表明該機制具有廣泛適用性。

圖4：非手性納米線的普適性驗證

該生長機制同樣適用于非手性種子納米線，驗證了其通用性。圖4A：示意圖展現(xiàn)貴金屬在非手性AuAg納米線上的沉積路線；圖4B-C：Pd和Pt在非手性納米線表面表現(xiàn)出顆粒融合現(xiàn)象；圖4D：多種金屬（Pd、Au、Ni、Cu、Ru）均遵循三階段機制，但表面形貌各異，Au沉積表面最為光滑，Pt和Pd形成“結(jié)節(jié)”狀粗糙結(jié)構(gòu)。

圖5：應變分析與分子動力學模擬

圖5A：LPTEM下觀察到Pd納米顆?！皧W斯特瓦爾德熟化”現(xiàn)象，導致表面形成結(jié)節(jié)；圖5B-E：通過MATLAB處理的應變分布圖揭示：納米線中央與邊界存在高應變區(qū)，源于金屬沉積與結(jié)構(gòu)缺陷；圖5G-H：分子動力學模擬驗證Au沉積會使納米線內(nèi)部應力顯著上升（高應力原子數(shù)量上升30%）。

總結(jié)展望

該機制不僅適用于電催化、儲能器件等現(xiàn)有納米線材料體系，還為下一代可編程納米結(jié)構(gòu)提供可控路徑。此外，研究中發(fā)展的一整套成像與分析方法，也可廣泛應用于電極沉積、生物膜變形等現(xiàn)象的研究。未來，團隊計劃進一步探討有機配體對納米線生長路徑與結(jié)晶方向的調(diào)控作用，以實現(xiàn)核殼結(jié)構(gòu)的更高精度構(gòu)建。

通訊作者簡介

宋曉輝，合肥工業(yè)大學材料科學與工程學院副教授，黃山學者學術骨干。2016年博士畢業(yè)于新加坡南洋理工大學材料化學專業(yè)，獲得理學博士學位。2016-2020年先后在美國UIUC，UC Berkeley, Lawrence Berkeley Lab從事博士后研究工作。從2021年9月開始加入合肥工業(yè)大學材料科學與工程學院，承擔教學和科研任務。主要從事微納尺度下電鏡三維重構(gòu)技術、原位電鏡技術、CT三維重構(gòu)技術等結(jié)合機器學習研究儲能材料的構(gòu)效關系，致力于微觀尺度下儲能材料的界面行為、結(jié)構(gòu)演變、電極材料及隔膜的設計/合成與性能的研究。在Nature、Nature Nanotechnology、 JACS、 Nature Communications、ACS Nano、 Nano Letters, Small、 ACS Materials Letters、Journal of Membrane Science、Nano Today等國際期刊發(fā)表多篇SCI論文。

本文使用的原位透射電鏡池為合肥原位科技有限公司研發(fā)，感謝老師支持和認可!