Nat. Commun. “见证”纳米颗粒的自组装过程

【引言】

如何预测和控制材料的自发合成是目前材料科学领域的一个重要课题。对于原子尺度的反应，科学家已发展出一系列较为完善的理论（例如过渡态理论、反应速率方程和精细平衡原理等），用以解释原子组合形成分子和晶体的过程。然而对于纳米尺度的胶体体系，科学家一直缺乏合适的理论工具来解释纳米颗粒连接的动态机理。因此，目前科学家常选择从现有原子尺度的理论模型出发，寻找解释纳米颗粒自发连接的新思路。

【成果简介】

  近日来，来自美国伊利诺伊大学的Qian Chen(通讯作者)在Nature Communications上发表了题为Imaging the polymerization of multivalent nanoparticles in solution的文章，类比高聚物逐步聚合反应的过程，提出了对于理解胶体体系自组装过程的新思路。该团队以金纳米棱镜的连接过程为模型，指出纳米颗粒自组装与高分子单体的聚合有很多共通之处：首先，胶体颗粒连接过程中“链”的生长与单体的逐步聚合十分相似；其次，产物的键角都由颗粒间的相互作用决定；最后，最终产物的形貌都由单体单元的价态决定。该研究团队通过在液态透射电镜（liquid-phase TEM）下实时观测纳米颗粒运动过程中留下的轨迹，进一步验证了这一理论模型的合理性。

【图文导读】

图一：金纳米棱镜通过逐步增长聚合连接成链

a.用带负电的硫醇涂覆金纳米棱镜，并在三角形的三个端点进行标记；

b.金纳米棱镜的点对点连接；

c.液相TEM照片显示金纳米棱镜链的连接过程；

d.随着时间变化，不同长度片段在产物中的比例；

e.不同时间下的平均片段长度；

f.随着时间变化，不同长度片段比例（n_x/N_L）分布。

图二：金纳米棱镜“点对点”连接的瞬时图像

a.纳米棱镜间质心距离d，棱镜尖端距离d_p,两棱镜相对偏角α的定义；

b-d.纳米棱镜相互靠近的实时TEM图像及此过程中质心距离和相对偏角的变化

图三：长程排斥力在纳米棱镜相互靠近过程中的影响

a.棱镜质心距离和相对偏角的分布图，将棱镜间的相互作用分为不相互作用-预排列-相互连接三种情况；

b.相对偏角在各分区分布的概率图；

c.纳米棱镜附近的等电势曲线；

d.两金纳米棱镜在“边对边”和“点对点”情况下的等势能曲线。

图四：棱镜偏角与产物键角的关系

a.液相TEM观测下的键角分布（0-60°）；

b.两种连接方式下的二体单元和三体单元；

c.两种不同棱镜尖端曲率；

d.相对偏角及棱镜曲率和棱镜间相互作用势的关系。

图五：棱镜配位几何与最终产物形貌的关系

a.库伦作用增强引起单体单元价态升高；

b.液相TEM下随时间演变，金纳米棱镜的连接过程。

【小结】

该研究团队通过研究液相TEM图象，建立起从分子尺度到纳米尺度的微观世界颗粒运动的理论模型，为自组装现象的预测和调控提供了有力的理论工具。金纳米棱镜这种类二维的聚集现象还可以延伸到其他有基底材料的体系中。简言之，这种类似高分子聚合的胶体自组装现象为研究人员理解微观世界提供了新思路；这种思路不仅可以应用于无机体系中，在聚合物胶束及蛋白质体系中也有广阔的应用前景。

 文献链接：Imaging the polymerization of multivalent nanoparticles in solution (Nat. Commun., 2017,DOI: 10.1038/s41467-017-00857-1 )

本文由材料人编辑部学术干货组黄子芸供稿，材料牛编辑整理。

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