莱斯大学的化学家们发现了四面体形状的纳米粒子可控生长的机制。莱斯大学化学家Matthew Jones和他的团队一直在寻找关于有用的纳米粒子对称性的答案--现在他们似乎有了答案。
Jones、研究主要作者和博士后研究员孙慕华以及研究生程志华和陈维音的一项新研究展示了粒子生长过程中的对称性破坏如何可靠地形成金字塔形状的四面体纳米晶体。在对称性破坏中，一个发展中的系统中的小波动决定了系统的命运。在这个例子中，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。
莱斯大学的研究人员展示了在结晶过程中平衡热力学和动能的作用力如何被用来使粒子的生长向理想的方向倾斜。他们的发现也为使用不对称的纳米粒子作为独特超材料的构建块开辟了一条道路。
发表在美国化学学会杂志《ACS Nano》上的这项研究源于Jones的帕卡德奖学金所支持的工作，该奖学金帮助他进行液体细胞透射电子显微镜（TEM）的研究。
Jones和他的实验室开发的技术允许研究人员通过一个足以让电子通过的窗口观察单个金属纳米粒子在液体中的形成。在一般情况下，透射电子显微镜在高真空中工作，并简单地蒸发暴露的液体。
研究人员指出，四面体形状的纳米颗粒经常作为其他过程的副产品被发现，但在实验室里有目的地制造它们被证明是一个挑战。
Jones说：“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。但是也有一些人看到这些奇怪的离群值，神秘地具有比母晶格更低的对称性。”
这项新研究是来自 Jones实验室的第一项显示液体细胞技术如何良好运作的研究。在他们观察的同时，将含有配体和前体的液体流过细胞的能力使他们能够重新确定最终纳米粒子产品的对称性。
关键似乎是生长的速度和条件，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。
Jones说：“现在我们能够筛选出一系列的条件，我们能够看到一个光谱，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让我们能够在飞行中改变一个变量，并看到中间的行为，我们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粒子出来。所以我们得出结论，这必须是平衡和动力学因素之间的平衡。”
Jones表示，理解这种基本平衡“应该可以推广到其他各种条件”。他说，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的大量试验和错误。
他说：“没有什么比能够观察整个事情的发生更重要的了。这就是这项技术所做的。你不是在向什么东西发射光子，然后不得不做一堆分析来解释结果。你只是看着这个过程。眼见为实。”