Science最新封面：电子衍射让纳米单晶中的氢原子无所遁形

【引语】

北京时间1月13日，Science网站发表了一篇题为“Hydrogen positions in single nanocrystals revealed by electron diffraction”的封面文章，论文通讯作者为捷克科学院物理研究所的L. Palatinus和法国国立卡昂高等工程师学院的P. Boullay。

研究发现，通过使用动态精化与电子衍射数据采集的方法，可定位微米级以下有机或无机单晶材料中的氢原子。氢原子的定位向来是晶体结构分析中的巨大挑战之一，如果能够成功检测，则预示着研究者们能更清晰的了解晶体材料的性质与功能。而该项研究则成功地获得了突破，为揭示探究晶体结构的细节开辟了新路径。

【成果简介】

氢原子的位置在晶体结构分析中十分重要，但往往其散射功率过小以致其位置难以确定。本文作者报道了一种最新研发的动态旋进电子衍射的成像数据细化方法，该方法能直接显示出氢原子在纳米晶材料中的位置（包括水合物以及复杂的有机物）。无论是有机材料（对乙酰氨基酚）还是无机材料（钴铝框架）中的氢原子的位置都可确定，并且清晰准确的反应结构中的细节（其中包括微米甚至纳米级别尺度的单晶中氢原子的位置）。

本文中作者对两种之前难以确定氢原子方位的结构进行成功的定位，分别是有机物对乙酰氨基酚（II）晶体与钴铝磷酸盐（CAP）。

【图文导读】

图1 对乙酰氨基酚的PEDT结构分析

（A）对乙酰氨基酚（II）晶体的透射电子显微镜法（TEM）图像。如图所示，圆圈表示在数据采集过程中，电子束的移动以减小辐射损伤。

（B）表示沿a轴的一层晶体结构，并通过叠加差分电位图显示出氢原子位置的最大值。其中，等值面水平分别为2 σ[△V(r)]（亮灰色部分）和3 σ[△V(r)]（黄色部分）。

图2 钴铝磷酸盐（CAP）沿晶相[-2 -1 0]的结构图（正八面体Al(1)O₆, Co(1)O₆, 与 Co(2)O₆的环境）

正八面体Co(2)O₆仅有部分被Co占据。图上标出了每个多面体中央阳离子的类型，其中亦显示了氢离子的位置（红球表示O原子）。

图3 CAP的PEDT结构分析

（A）CAP典型晶体的TEM图像。其中黑色圆圈表示在数据采集过程中，部分晶体受到电子束辐照。

（B）表示沿着c轴，对CAP结构进行投影，并通过叠加差分电位图显示出氢原子位置的最大值。其中，等值面水平分别为2 σ[△V(r)]（亮灰色部分）和3 σ[△V(r)]（黄色部分）。虚线画的椭圆形标出了一个沿c的通道。

图4 CAP差分电位图显示等值面

差分点位图用于表示以下结构附近的等值面情况（A）AlO₅·H₂O，（B）CoO₂（OH）₂·2H₂O以及（C）PO₃OH基团（对应原子颜色见图三）。其中，等值面水平分别为2 σ[△V(r)]（亮灰色部分）和3 σ[△V(r)]（黄色部分）。通过DFT计算与PEDT的精化获得氢原子的位置，分别以黑色和白色标出。

【总结】

该论文使用动态精化与电子衍射数据采集的方法成功定位微米级以下有机或无机单晶材料中的氢原子，为细致分析并透彻了解晶体的功能与性能开辟了新的路径。

文献链接：Hydrogen positions in single nanocrystals revealed by electron diffraction (Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aak9652)

同期PERSPECTIVE文章链接：Electron diffraction and the hydrogen atom（Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aal4570）

本文由材料人编辑部纳米组pengyuman供稿，材料牛编辑整理。

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