萊斯大學的化學家們發現了四面體形狀的納米粒子可控生長的機制。萊斯大學化學家Matthew Jones和他的團隊一直在尋找關於有用的納米粒子對稱性的答案–現在他們似乎有了答案。
Jones、研究主要作者和博士后研究員孫慕華以及研究生程志華和陳維音的一項新研究展示了粒子生長過程中的對稱性破壞如何可靠地形成金字塔形狀的四面體納米晶體。在對稱性破壞中，一個發展中的系統中的小波動決定了系統的命運。在這個例子中，它適用於從納米級種子開始的晶體生長，這些種子具有對稱的原子晶格。
萊斯大學的研究人員展示了在結晶過程中平衡熱力學和動能的作用力如何被用來使粒子的生長向理想的方向傾斜。他們的發現也為使用不對稱的納米粒子作為獨特超材料的構建塊開闢了一條道路。
發表在美國化學學會雜誌《ACS Nano》上的這項研究源於Jones的帕卡德獎學金所支持的工作，該獎學金幫助他進行液體細胞透射電子顯微鏡（TEM）的研究。
Jones和他的實驗室開發的技術允許研究人員通過一個足以讓電子通過的窗口觀察單個金屬納米粒子在液體中的形成。在一般情況下，透射電子顯微鏡在高真空中工作，並簡單地蒸發暴露的液體。
研究人員指出，四面體形狀的納米顆粒經常作為其他過程的副產品被發現，但在實驗室里有目的地製造它們被證明是一個挑戰。
Jones說：“如果一個粒子是一個單晶，它通常會繼承晶格的對稱性。而晶體往往是高度對稱的，像立方體或菱形十二面體或八面體。但是也有一些人看到這些奇怪的離群值，神秘地具有比母晶格更低的對稱性。”
這項新研究是來自 Jones實驗室的第一項顯示液體細胞技術如何良好運作的研究。在他們觀察的同時，將含有配體和前體的液體流過細胞的能力使他們能夠重新確定最終納米粒子產品的對稱性。
關鍵似乎是生長的速度和條件，在這些條件下，金原子傾向於在顆粒的尖端和邊緣而不是熱力學上有利的面附着自己。
Jones說：“現在我們能夠篩選出一系列的條件，我們能夠看到一個光譜，一端是動能生長，另一端是平衡狀態。動能生長是快速的，突起生長得非常快，它不是很好控制。在平衡狀態下，生長緩慢，系統做它想做的事，也就是保持對稱性。”
“但是液態細胞TEM讓我們能夠在飛行中改變一個變量，並看到中間的行為，我們可以看到這種奇怪的對稱性破壞和一個定義明確的四面體粒子出來。所以我們得出結論，這必須是平衡和動力學因素之間的平衡。”
Jones表示，理解這種基本平衡“應該可以推廣到其他各種條件”。他說，這一發現也確立了液態細胞TEM作為觀察和分析動態化學過程的一個有價值的工具，有可能消除在合成生物醫學、催化或納米光子學所需的顆粒時的大量試驗和錯誤。
他說：“沒有什麼比能夠觀察整個事情的發生更重要的了。這就是這項技術所做的。你不是在向什麼東西發射光子，然後不得不做一堆分析來解釋結果。你只是看着這個過程。眼見為實。”