美國西北大學JACS：在聚合物納米反應器中，無窗觀察Au-Pt納米粒子蒸發誘導粗化

【引言】

納米粒子和溶劑之間的相互作用，對于形成復亞穩態納米結構非常重要。但是采用傳統的液體電池透射電子顯微鏡（TEM），直接觀察是非常困難的。那么如何才能觀察到納米粒子的聚合過程中的變化呢？本文發現了一種非常重要的無窗系統，可以直接觀察Au-Pt納米顆粒的形成過程。

【成果簡介】

近日，美國西北大學的Vinayak P. Dravid和Chad A. Mirkin（共同通訊）作者等人，在無定形碳膜上掃描探針嵌段共聚物光刻（SPBCL）沉積的聚合物納米反應器，構成的無窗系統，觀察溶劑蒸發的超細Au-Pt雙金屬納米粒子粗化現象。在這種反應器中，金屬離子前體原位合成均勻的Au-Pt納米顆粒。聚合物薄膜的不均勻蒸發使納米顆粒集中，加速聚合物邊緣處的聚結動力學。本文通過聚結的粒子力的定性分析，聚合物邊緣引起的毛細管效應，分析其在該過程中起著的重要作用。這項工作分析了溶劑的作用，揭示納米粒子在多元納米結構合成過程中的粗化行為，提供SPBCL過程中，形成納米粒子的方法。相關成果以“Windowless Observation of Evaporation-Induced Coarsening of Au–Pt Nanoparticles in Polymer Nanoreactors”為題發表在JACS上。

【圖文導讀】

圖 1無定形碳膜聚合物納米反應器圖

（A）納米反應器陣列的HAADF圖；

（B）納米反應器陣列的AFM圖；

（C）三個納米反應器圓頂的AFM高度圖；

（D）納米反應器的9個AFM高度輪廓的外推接觸角圖。

圖 2 聚合物納米反應器中，局部電子輻射形成的Au-Pt納米顆粒圖

（A）不同的前體的聚合物納米反應器中，Au含量EDS分析圖；

（B）FFT徑向強度分布與高斯擬合Au和Pt{111}反射區域的函數圖（插圖：Au-Pt納米顆粒的典型HRTEM圖像）。

圖 3 電子輻射，不均勻地蒸發聚合物圖

（A）聚合物隨時間變化的假彩色HAADF圖像；

（B）聚合物蒸發過程的三階段示意圖；

（C）聚合物蒸發區域的平均（黑色）和最強（藍色）的HAADF圖。

圖 4 非均勻聚合物蒸發引起的Au-Pt納米顆粒的遷移圖

（A）降噪ADF圖像和Au-Pt納米顆粒的追蹤圖；

（B）燈絲區域納米粒子和燈絲中心距離的掃描數量函數圖；

（C）跟蹤納米粒子的掃描數量函數圖。

圖 5 Au-Pt納米粒子的常規動力學聚結圖

（A，C）序列彩色增強的納米粒子聚結的降噪ADF圖；

（B，D）邊緣距離和每個NP對的線性擬合的掃描數量函數圖。

圖 6 流體邊緣顆粒的狀態分析圖

（A）自上而下的流體邊緣的粒子模型示意圖；

（B）z方向上顆粒的毛細管力與流體邊緣總顆粒尺寸的相對位置函數圖。

【小結】

本文研究了SPBCL過程的早期階段，較小的顆粒粗化，形成較大的多組分納米顆粒。在SPBCL工藝中，聚合物分解可能不均勻，如碳殘留物的空間分布，納米粒子粗化階段期間的聚合物分解，加速小的納米粒子局部聚集成中等粒徑；但是會阻礙納米反應器中，剩余顆粒的粗化和納米顆粒的聚合。值得注意的是，大量的金屬離子前體，可用于聚合物納米反應器。因此，研究更復雜的多組分納米粒子的相互作用，其他非揮發性溶劑體系，如離子液體也可以使用納米反應器進行探索。該策略應該提供一種策略，深入分析流體分散體中，復雜納米顆粒的動力學和相互作用。

文獻鏈接：Windowless Observation of Evaporation-Induced Coarsening of Au–Pt Nanoparticles in Polymer Nanoreactors（JACS, 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b03105）。

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