新研究实现纳米“可编程”合成
宁波东方理工大学副教授温诗辉团队通过巧妙结合“晶格失配工程”与“位点选择性生长”技术，提出了一种“可编程”的纳米合成范式。他们成功掌握了一套微观世界的“施工图纸”，让不同材料能按需、精准地长在预定位置。相关研究成果近日发表于美国《国家科学院院刊》。
在原子尺度上，像搭乐高积木一样随心所欲地控制不同材料的生长方向与位置，是材料科学家长期追求的目标。就像建筑的结构决定用途，纳米材料的形状、组成和排列方式直接决定了它能成为高效催化剂还是灵敏的生物探针。在微观世界搞“建造”有两个难题。一是晶格失配，即不同材料的晶体原子间距不同，如果间距差较小，材料会像抹腻子一样均匀覆盖；间距差太大，则会像在光滑地板上泼水，缩成一个个孤立的球。二是位点控制，即让新材料精准地长在纳米棒的指定位点。
针对以上问题，温诗辉团队给出了一份完美的“施工指南”，通过物理晶格应变与化学配体吸附的双重调控，实现了异质纳米晶体的精确按需生长。
团队利用稀土家族成员多且尺寸连续可调的特性，系统研究了不同材料组合的效果，给出了精准的量化标准。当晶格失配度小于2.0%时，材料丝滑贴合，形成均匀包覆层；失配度在2.0%到5.1%之间时，会“精准点缀”，像在一根长棍上整齐镶嵌一圈红宝石，形成岛状结构；失配度大于7.1%时，新材料就会“自立门户”，形成新颗粒。这一发现为“可编程”合成提供了底层的物理逻辑。
团队还发现了一种“化学胶水”——表面配体的神奇魔力。利用强结合配体（如油酸盐）表面选择性保护，给新材料装上“导航”，实现在纳米棒的“棱边”上生长，形成规整的岛状结构。而使用弱配体时，生长则“随缘”，材料随机铺开。通过调节反应温度，研究人员甚至能控制这些“点缀物”的数量和间距，实现精细调控。
基于这些规律，团队在实验室内完成了一场“微雕”。他们在一根仅160纳米长、50纳米宽的纳米棒上集成了4种不同的稀土元素，搭建出了包含14个功能层级的复杂三维结构。
温诗辉团队提出的“可编程”纳米合成范式，为“材料按需定制”带来了可能。无论是捕获阳光的高效催化剂，还是穿透组织探测疾病的生物探针、支撑量子计算的高性能光源，这种搭乐高般的合成方法将催生更多创新应用。
宁波东方理工大学副教授温诗辉团队通过巧妙结合“晶格失配工程”与“位点选择性生长”技术，提出了一种“可编程”的纳米合成范式。他们成功掌握了一套微观世界的“施工图纸”，让不同材料能按需、精准地长在预定位置。相关研究成果近日发表于美国《国家科学院院刊》。
在原子尺度上，像搭乐高积木一样随心所欲地控制不同材料的生长方向与位置，是材料科学家长期追求的目标。就像建筑的结构决定用途，纳米材料的形状、组成和排列方式直接决定了它能成为高效催化剂还是灵敏的生物探针。在微观世界搞“建造”有两个难题。一是晶格失配，即不同材料的晶体原子间距不同，如果间距差较小，材料会像抹腻子一样均匀覆盖；间距差太大，则会像在光滑地板上泼水，缩成一个个孤立的球。二是位点控制，即让新材料精准地长在纳米棒的指定位点。
针对以上问题，温诗辉团队给出了一份完美的“施工指南”，通过物理晶格应变与化学配体吸附的双重调控，实现了异质纳米晶体的精确按需生长。
团队利用稀土家族成员多且尺寸连续可调的特性，系统研究了不同材料组合的效果，给出了精准的量化标准。当晶格失配度小于2.0%时，材料丝滑贴合，形成均匀包覆层；失配度在2.0%到5.1%之间时，会“精准点缀”，像在一根长棍上整齐镶嵌一圈红宝石，形成岛状结构；失配度大于7.1%时，新材料就会“自立门户”，形成新颗粒。这一发现为“可编程”合成提供了底层的物理逻辑。
团队还发现了一种“化学胶水”——表面配体的神奇魔力。利用强结合配体（如油酸盐）表面选择性保护，给新材料装上“导航”，实现在纳米棒的“棱边”上生长，形成规整的岛状结构。而使用弱配体时，生长则“随缘”，材料随机铺开。通过调节反应温度，研究人员甚至能控制这些“点缀物”的数量和间距，实现精细调控。
基于这些规律，团队在实验室内完成了一场“微雕”。他们在一根仅160纳米长、50纳米宽的纳米棒上集成了4种不同的稀土元素，搭建出了包含14个功能层级的复杂三维结构。
温诗辉团队提出的“可编程”纳米合成范式，为“材料按需定制”带来了可能。无论是捕获阳光的高效催化剂，还是穿透组织探测疾病的生物探针、支撑量子计算的高性能光源，这种搭乐高般的合成方法将催生更多创新应用。
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