大自然顯然喜歡對稱。例如，看看你自己的手。但有時大自然會產(chǎn)生不對稱的東西，原因并不總是很清楚。萊斯大學(xué)化學(xué)家馬修瓊斯和他的團隊一直在尋找有關(guān)有用納米粒子的這些問題的答案——現(xiàn)在似乎有了答案。

瓊斯、第一作者兼博士后研究員孫木華和研究生程志華和陳偉銀的一項新研究證明了粒子生長過程中對稱性破壞如何可靠地形成金字塔形金四面體納米晶體。

在對稱破缺中，發(fā)展中系統(tǒng)的小波動決定了系統(tǒng)的命運。在這種情況下，它適用于從以對稱原子晶格開始的納米級種子晶體的生長。

萊斯大學(xué)的研究人員展示了如何在結(jié)晶過程中平衡熱力學(xué)和動力學(xué)力，從而使顆粒向所需方向傾斜生長。他們的發(fā)現(xiàn)也為使用不對稱納米粒子作為獨特超材料的構(gòu)建塊開辟了道路。

美國化學(xué)學(xué)會期刊ACS Nano 上的這項研究源于瓊斯帕卡德獎學(xué)金支持的工作，該獎學(xué)金于 2018 年授予幫助他進行液體細胞透射電子顯微鏡 (TEM) 的研究。

瓊斯和他的實驗室開發(fā)的技術(shù)允許研究人員通過一個足夠大的窗口觀察液體中單個金屬納米粒子的形成，以允許電子通過。在一般使用中，透射電子顯微鏡在高真空下工作，并簡單地蒸發(fā)暴露的液體。

研究人員指出，四面體形狀的納米粒子經(jīng)常作為其他過程的副產(chǎn)品被發(fā)現(xiàn)，但在實驗室中有意制造它們已被證明是一個挑戰(zhàn)。

“如果一個粒子是單晶，它通常會繼承晶格的對稱性，”瓊斯說。“而且晶體往往是高度對稱的，比如立方體或菱形十二面體或八面體。但是有些人看到了這些奇怪的異常值，神秘地比母晶格具有更低的對稱性。”

這項新研究是瓊斯實驗室首次展示液體細胞技術(shù)的效果。在他們觀察時使含有配體和前體的流體流過細胞的能力使他們能夠回到生長偏離的點并改變最終納米顆粒產(chǎn)品的對稱性。

關(guān)鍵似乎是金原子的生長速度和條件，在這種條件下，金原子傾向于將自己附著在粒子的尖端和邊緣而不是熱力學(xué)有利的表面上。

“現(xiàn)在我們能夠篩選一系列條件，我們能夠看到一端是動力學(xué)增長而另一端是平衡的光譜，”瓊斯說。“動力學(xué)增長很快，突起增長非常快，而且控制得不是很好。在平衡狀態(tài)下，增長很慢，系統(tǒng)會做它想做的事情，即保持對稱性。

“但是液體細胞 TEM 允許我們動態(tài)改變一個變量并看到中間的行為，我們可以看到這種奇怪的對稱性破壞和一個明確定義的四面體粒子出現(xiàn)。所以我們得出結(jié)論，這必須是兩者之間的平衡平衡和動力學(xué)因素。”

瓊斯說，理解基本平衡“應(yīng)該可以推廣到各種其他條件”。

他說，這一發(fā)現(xiàn)還確立了液體細胞 TEM 作為觀察和分析動態(tài)化學(xué)過程的寶貴工具，有可能消除生物醫(yī)學(xué)、催化或納米光子學(xué)粒子合成過程中的大量試驗和錯誤。

“沒有什么比能夠親眼目睹整個事情發(fā)生的了，”他說。“這就是這項技術(shù)的作用。你不必向某物發(fā)射光子，然后必須進行大量分析來解釋結(jié)果。你只需觀察過程。眼見為實。”

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