科学家揭示四面体形状纳米粒子的可控生长机制

大自然里有许多对称的形状，我们人体的双手就是对称的结构。但是大自然也会产生不对称的东西，为什么呢？莱斯大学（Rice University）的化学家Matthew Jones和他的团队一直在寻找关于纳米粒子相关问题的答案，如今他们似乎找到了一些线索。

研究团队的一项新研究证明了，粒子生长过程中的对称性被破坏，这样却可以可靠地形成金字塔形的金四面体纳米晶体（gold tetrahedron nanocrystals）。

在对称性破坏中，一个发展中系统的微小波动决定了系统的命运。在这种情况下，它适用于从纳米级种子开始的晶体生长，这些种子具有对称的原子晶格。

研究人员展示了如何在结晶过程中平衡热力学和动力学力，以使颗粒向所需方向倾斜。他们的发现还为使用不对称纳米粒子作为独特超材料的构建块开辟了道路。

研究开发的技术可以让研究人员通过一个足够大的窗口观察液体中单个金属纳米颗粒的形成。通常，透射电子显微镜在高真空下工作，只是蒸发暴露的液体。

研究人员指出，四面体形纳米颗粒通常是其他过程的副产品，但有目的地在实验室中制造它们是具有一定的挑战性的。研究人员称，如果一个粒子是一个单晶，它通常会继承晶格的对称性。而晶体往往是高度对称的，像立方体或菱形十二面体或八面体。

这项新研究展示了液体细胞技术的效果。在他们观察的同时，使含有配体和前体的流体流过细胞的能力，可以让它们能够回到生长误入歧途的点，并重新定向最终纳米颗粒产品的对称性。生长的速度和条件似乎是关键，在这些条件下，金原子倾向于在颗粒的尖端和边缘而不是热力学上有利的面附着自己。

研究人员如今能够筛选出一系列的条件，能够看到一个光谱，一端是动能生长，另一端是平衡状态。动能生长是快速的，突起生长得非常快，它不是很好控制。在平衡状态下，生长缓慢，系统做它想做的事，也就是保持对称性。

但是液态细胞TEM能够改变一个变量，并看到中间的行为。其中可以看到这种奇怪的对称性破坏和一个定义明确的四面体颗粒出来。所以研究得出结论，这必须是平衡和动力学因素之间的平衡。

研究人员认为，这一发现也确立了液态细胞TEM作为观察和分析动态化学过程的一个有价值的工具，有可能消除在合成生物医学、催化或纳米光子学所需的颗粒时进行大量试验和错误。

题为Understanding Symmetry Breaking at the Single-Particle Level via the Growth of Tetrahedron-Shaped Nanocrystals from Higher-Symmetry Precursors的相关研究论文发表在《ACS Nano》上。

前瞻经济学人APP资讯组

论文原文：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c04056