纳米尺度成像揭示胶体中核壳金属纳米线生长过程中的纳米粒子融合动力学

针对晶体纳米线表面形貌调控机制不明的难题，中国研究团队通过液相透射电镜(LPTEM)、冷冻电镜和三维电子断层扫描技术，首次揭示了贵金属(Au/Pd/Pt等)在AuAg合金种子纳米线上沉积的三步动力学路径：异相成核-纳米颗粒附着-定向融合。研究发现纳米粒子沿〈111〉晶向的择优融合规律及金属反应性对表面粗糙度的调控作用，为功能性纳米线设计提供了新范式。

　　

在纳米材料领域，金属纳米线的表面形貌和晶体结构直接影响其声子传输、电催化等关键性能。然而，由于缺乏在单颗粒和原子分辨率下的实时观测手段，科学家们对纳米线生长过程中的动力学机制认知仍存在重大空白。特别是对于核壳结构纳米线的形成过程，传统理论主要基于简单的两步生长模型，无法解释实验中观察到的复杂形貌演变现象。这一认知局限严重制约了精准调控纳米线性能的能力。

合肥工业大学材料科学与工程学院宋晓辉团队联合国内外多家机构，在《Nature Communications》发表了突破性研究成果。研究团队创新性地采用低剂量液相透射电镜(LPTEM)结合冷冻电镜(cryo-TEM)和三维原子电子断层扫描技术，首次在无有机配体干扰的胶体环境中，完整捕获了贵金属在AuAg合金种子纳米线上沉积的动态过程。

关键技术方法包括：1) 开发石墨烯液体池实现原子级分辨的实时观测；2) 采用深度学习算法处理高噪声HRSTEM图像；3) 结合分子动力学模拟(MD)分析晶格应变；4) 通过快速冷冻技术固定中间产物；5) 使用Usi-Net网络进行三维原子重构。所有实验均使用经过严格清洗去除表面配体的种子纳米线，确保观测到本征生长行为。

【Observation of Pd deposition on AuAg alloy chiral seed nanowire via LPTEM imaging】
研究发现Pd在螺旋AuAg纳米线上的沉积呈现典型的三阶段特征：0-6.5秒的异相成核阶段，Pd原子优先在种子线表面成核；随后进入纳米颗粒附着阶段，溶液中形成的Pd纳米颗粒快速锚定在纳米线表面；最终通过沿〈111〉晶向的定向融合形成双螺旋结构。深度学习辅助的图像分析显示纳米线直径从2 nm增长至3.3 nm。

【Observation of the intermediates during metal deposition on chiral seed nanowires via Cryo-TEM imaging】
冷冻电镜捕获的关键中间体证实，Pd沉积5分钟后纳米线表面仍存在未完全融合的纳米颗粒。对比实验显示，Au沉积形成的核壳结构表面更光滑，而Pt沉积则产生更多表面"结节"，这种差异源于金属表面能的不同。EDX图谱证实所有金属元素均成功沉积。

【Nanoparticle coalescence with chiral seed nanowire revealed by atomic electron tomography】
三维原子重构首次直观展示了纳米颗粒与纳米线的界面融合过程。定量分析发现AuAg@Au纳米线平均直径(5.3 nm)小于AuAg@Pd(6.3-6.4 nm)，表明Au更易实现均匀融合。分子动力学模拟揭示，外延生长产生的晶格应变主要分布在纳米线中心和边界区域。

【The observation of metal deposition on non-chiral seed nanowire via nanoscale imaging】
在非螺旋种子线上的对照实验证实，生长机制与种子线晶体结构无关。强还原剂(如NaBH₄)促进均相成核，而弱还原剂(如抗坏血酸)更利于异相成核。过渡金属(Fe/Ni/Cu/Ru)的沉积同样遵循三步机制，但融合方向呈现〈110〉与〈111〉的差异。

【Local strain analysis of Au@AuAg core-shell double-helical nanowires】
应变分布分析揭示双螺旋纳米线的特殊力学特性：中心与边界区域应变较高(±2.0%)，这种应变分布源于BCB结构种子线中二十面体单元的堆垛方式。MD模拟显示金原子外延沉积会显著增加体系应力。

这项研究从根本上改变了人们对核壳纳米线生长机制的认知：1) 提出"异相成核-颗粒附着-定向融合"的三步生长模型，突破传统两步理论；2) 发现〈111〉晶向的普适性融合规律，为晶体取向调控提供新思路；3) 建立金属表面能与最终形貌的定量关系。该成果不仅完善了晶体生长理论，更为设计具有特定表面特性的功能纳米材料（如高效电催化剂、量子线器件）提供了科学依据。研究发展的多模态原位表征方法学，还可推广至电池枝晶生长、膜变形等表界面过程的研究。