应用成果

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

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近日，合肥工业大学宋晓辉副教授团队在《Nature Communications》期刊上发表突破性成果，题为《Observation of nanoparticle coalescence during core-shell metallic nanowire growth in colloids via nanoscale imaging》（DOI: 10.1038/s41467-025-60135-3）。该研究首次通过原位液相透射电子显微镜（LPTEM）与冷冻电镜（Cryo-TEM）联用三维电子断层扫描，在原子尺度下完整解析了金属纳米线核壳结构的“生长三部曲”过程，为功能性纳米材料的精准合成与结构调控提供了理论基础和技术路径。

背景介绍

纳米线的表面形貌和晶体结构直接影响其声子传输、电催化等性能，但传统研究受限于实时原子级成像技术，难以捕捉生长动态。尽管纳米颗粒的生长机制已较为清晰，但核壳纳米线的一维特性及表面相互作用复杂性使其生长机制仍存在诸多未解之谜。本研究通过液相透射电镜（LPTEM）和冷冻电镜（Cryo-TEM）等技术，首次在无有机配体的胶体体系中，揭示了纳米线生长的完整动力学路径。

本文亮点

（1）三阶段生长机制：提出纳米线生长的三阶段模型（异相成核→纳米颗粒附着→融合），不同于传统的晶体的两步成核生长理论。

（2）晶向选择性融合：通过高分辨原位成像发现，贵金属（Au、Pd、Pt）纳米颗粒倾向于沿〈111〉方向与种子纳米线融合，而Fe、Ni等过渡金属则表现出不同融合行为倾向于沿〈110〉方向与种子纳米线融合，展现出金属种类对形貌调控的决定作用。

（3）技术突破：结合液相透射电镜（LPTEM）、冷冻透射电镜（Cryo-TEM）与3D电子断层扫描（ET）等手段，首次实现无有机配体体系中纳米线生长过程的原子级时间-空间解析，为纳米晶体生长研究树立了新范式。

（4）研究覆盖多种贵金属与过渡金属（Au、Pd、Pt、Fe、Ni、Cu、Ru），并在手性与非手性种子纳米线中均验证了该机制，显示出其高度通用性与广泛适应性。

图文解析

图1：Pd在AuAg手性纳米线上的沉积过程

图1A：手性AuAg种子纳米线的初始晶格结构，为典型的Boerdijk-Coxeter-Bernal（BCB）双螺旋构型；图1B：Pd原子在纳米线表面快速成核并沿〈111〉晶向沉积，纳米线直径在6.5秒内从2 nm增长至3.3 nm；图1C：展示Pd纳米颗粒在34秒内迅速附着于纳米线表面，是纳米颗粒吸附过程的直接证据；图1D：最终形成具有明显Pd颗粒“结节”的双螺旋核壳结构；图1E：以图解方式总结提出的三阶段生长模型：异相成核 → 颗粒附着 → 融合。

图2：冷冻电镜揭示中间态

冷冻电镜（Cryo-TEM）避免了电子束干扰，捕捉了Pd沉积过程中的多个关键“中间快照”。图2A-C：对应Pd沉积1~5分钟，清晰展示了纳米颗粒在不同时间点的吸附与融合状态；图2D-E：Pd颗粒附着在AuAg纳米线表面，并最终形成螺旋核壳结构；图2F-H：通过冷冻STEM显示Pd颗粒沿〈111〉方向与种子纳米线融合，同时EDX确认了Pd元素沉积；图2I-L：对比Au沉积，尽管也沿〈111〉方向融合，但纳米线表面更为平滑，颗粒附着数量较少。

图3：核壳纳米线生长过程中纳米颗粒融合的三维断层扫描分析

通过深度学习辅助三维原子重构，揭示了二维图像难以识别的融合界面。图3A-D：Pd纳米颗粒以特定角度附着并融合于AuAg纳米线〈111〉晶面；图3E-I：其他金属（Au、Fe、Ni、Cu、Ag）在不同实验条件下也表现出纳米颗粒融合行为，表明该机制具有广泛适用性。

图4：非手性纳米线的普适性验证

该生长机制同样适用于非手性种子纳米线，验证了其通用性。图4A：示意图展现贵金属在非手性AuAg纳米线上的沉积路线；图4B-C：Pd和Pt在非手性纳米线表面表现出颗粒融合现象；图4D：多种金属（Pd、Au、Ni、Cu、Ru）均遵循三阶段机制，但表面形貌各异，Au沉积表面最为光滑，Pt和Pd形成“结节”状粗糙结构。

图5：应变分析与分子动力学模拟

图5A：LPTEM下观察到Pd纳米颗粒“奥斯特瓦尔德熟化”现象，导致表面形成结节；图5B-E：通过MATLAB处理的应变分布图揭示：纳米线中央与边界存在高应变区，源于金属沉积与结构缺陷；图5G-H：分子动力学模拟验证Au沉积会使纳米线内部应力显著上升（高应力原子数量上升30%）。

总结展望

该机制不仅适用于电催化、储能器件等现有纳米线材料体系，还为下一代可编程纳米结构提供可控路径。此外，研究中发展的一整套成像与分析方法，也可广泛应用于电极沉积、生物膜变形等现象的研究。未来，团队计划进一步探讨有机配体对纳米线生长路径与结晶方向的调控作用，以实现核壳结构的更高精度构建。

通讯作者简介

宋晓辉，合肥工业大学材料科学与工程学院副教授，黄山学者学术骨干。2016年博士毕业于新加坡南洋理工大学材料化学专业，获得理学博士学位。2016-2020年先后在美国UIUC，UC Berkeley, Lawrence Berkeley Lab从事博士后研究工作。从2021年9月开始加入合肥工业大学材料科学与工程学院，承担教学和科研任务。主要从事微纳尺度下电镜三维重构技术、原位电镜技术、CT三维重构技术等结合机器学习研究储能材料的构效关系，致力于微观尺度下储能材料的界面行为、结构演变、电极材料及隔膜的设计/合成与性能的研究。在Nature、Nature Nanotechnology、 JACS、 Nature Communications、ACS Nano、 Nano Letters, Small、 ACS Materials Letters、Journal of Membrane Science、Nano Today等国际期刊发表多篇SCI论文。

本文使用的原位透射电镜池为合肥原位科技有限公司研发，感谢老师支持和认可!