IF 15.7！通过纳米成像观察胶体中核壳金属纳米线生长过程中纳米颗粒聚结

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  晶体纳米线的表面形态和形状会显著影响其功能特性，包括声子传输、电催化性能等。然而，由于在单粒子和原子分辨率下进行实空间和实时成像的挑战，驱动这些形态变化的动力学途径仍未得到充分探索。本研究研究了核壳形成过程中 AuAg 合金种子纳米线上壳层（Au、Pd、Pt、Fe、Cu、Ni）沉积的动力学。通过使用手性/非手性种子纳米线、先进的成像技术，包括液相透射电子显微镜 （LPTEM）、低温 TEM 和三维电子断层扫描，揭示了三步沉积过程：异质成核、纳米颗粒附着和聚结。研究发现，胶体 Ostwald 成熟、金属反应性和沉积量调节纳米颗粒尺寸和表面粗糙度，从而形成最终形态。贵金属纳米颗粒 （Au， Ag， Pd， Pt） 沿〈111〉方向与种子纳米线聚结，与其他金属不同。这些发现在包括 Ru、Cu、Fe 和 Ni 在内的不同金属中是一致的，突出了纳米线形成中这些过程的假设。这些发现增强了传统的晶体学理论，并为设计纳米线形态提供了框架。此外，我们的成像技术可用于研究电沉积、电池中的枝晶生长和膜变形等现象。

创新点

1.研究首次通过先进的原位液相透射电镜等技术，在实空间、近原子尺度下，直接可视化了核壳纳米线形成过程中的三步动力学路径（异质成核、纳米颗粒附着、聚结），突破了以往对该过程认知的技术瓶颈。

2.明确揭示了金属反应活性、胶体奥斯特瓦尔德熟化及沉积量等关键参数在调控最终纳米线表面粗糙度与形态中的协同作用规律，特别是发现了贵金属沿〈111〉方向优先聚结这一晶体学选择性行为。

3.将研究结论的成功验证从贵金属（Au, Ag, Pd, Pt）扩展到多种非贵/过渡金属（Ru, Cu, Fe, Ni），证明了所揭示动力学机制的普适性，为构建广义的纳米线形态控制理论奠定了基础。

对科研工作的启发

1.该研究范式强调了将高时空分辨的原位表征技术（如LPTEM）与纳米材料合成动力学研究紧密结合的重要性，为探索其他纳米材料（如量子点、纳米片）的生长机理提供了强有力的方法论借鉴。

2.研究结果表明，通过精确调控热力学（如奥斯特瓦尔德熟化）与动力学（如沉积速率）因素，可以实现对纳米材料表面形态的精细设计，这启发科研人员在材料合成中需更加注重多参数协同调控的策略。

3.所发现的晶体学取向依赖性聚结行为，提示我们在涉及异质界面、晶体融合的研究中（如异质结制备、烧结过程），需要深入考虑界面能和晶格匹配等晶体学因素的核心影响。

思路延伸

1.可以进一步探索更复杂的多层核壳结构或异质结纳米线的合成动力学，研究不同壳层沉积顺序、界面相互作用对最终结构和性能的影响，以期实现功能的可编程化。

2.将当前研究体系与理论模拟（如分子动力学、相场模拟）相结合，从原子/电子层面深入理解成核、附着、聚结过程中的能量变化和原子迁移路径，构建更精确的预测模型。

3.考察外部场（如电场、磁场、光场）对上述沉积动力学路径的调控作用，探索外场诱导下可能产生的新颖形态或亚稳态结构，开拓非平衡态合成的新领域。 

生物医学领域的应用

1.该研究提供的纳米线形态精确控制策略，可用于优化基于贵金属纳米线（如Au, Pt）的生物传感器性能，通过调控表面粗糙度与活性晶面暴露程度，显著提高其对生物标志物检测的灵敏度和选择性。

2.所揭示的动力学过程与成像技术，对于理解生物体内矿物沉积（如骨生长、病理钙化）以及某些细菌产生的纳米结构（如磁小体）的形成机制具有重要启示，可能为仿生合成或病理干预提供新思路。

3.在药物递送与肿瘤治疗方面，形态可控的核壳纳米线（如Fe基）可作为多功能平台，通过调节其表面形态来改善生物分布、增强磁热疗或声动力疗法的效率，并利用其高比表面积进行高效药物负载与可控释放。

原文链接

Observation of nanoparticle coalescence during core-shell metallic nanowire growth in colloids via nanoscale imaging

Pub Date : 2025-05-23

DOI: 10.1038/s41467-025-60135-3

Dahai Yang, Xingyu Zhang, Ruijie Yang, Bolin Zou, Rui Huang, Colin Ophus, Chengyu Song, Sheng Cheng, Juyeong Kim, Hui Xiong, Xianqi Wu, Mufan Li, Yong Wang, Hongfa Xiang, Zihao Ou, Xiaohui Song