今日Nature:通過界面驅動形核和組裝形成介晶

【引言】

眾所周知，不同于簡單物種（單體）作為晶體生長的基本單元，在許多體系中可以通過堆積更復雜的物種或前驅體來發生晶化和生長，即所謂的“顆粒附著晶化”（CPA）的非經典路徑。將這些物種統稱為“顆粒/粒子”，以它們作為潛在的結晶生長單元。CPA已被開發用于制造具有不尋常性質的納米材料，整個結晶過程涉及到多個、且復雜的演化步驟。其中顆粒沿著特定的晶體方向排列，產生與單晶不同的介晶，其是一類由納米晶以結晶學有序的方式自組裝而成的納米粒子超結構。CPA的傳統觀點是，成核提供了一種粒子的供應，這些粒子通過布朗運動聚集，由吸引的粒子間勢偏置。然而，介晶常常表現出規則的形態和均勻的尺寸。雖然許多晶體系統形成介晶，已經被直接可視化，但如何導致良好的缺陷，自相似的形態仍然未知，表面結合配體的作用也是未知的，這些配體在納米粒子系統中普遍存在。在許多系統中，由于存在與塊體相不同的相前驅體納米粒子，理解介晶的形成更加復雜。一些研究提出，這種粒子在附著之前轉換，而另一些則將轉換歸因于附著過程本身，而另一些研究則得出結論，在介晶超過特征尺寸之后發生轉變。

鑒于此，美國西北太平洋國家實驗室James J. De Yoreo教授（通訊作者）研究了氧化鐵的介晶形成，其中氧化鐵是自然環境中重要的膠體相，以及普遍存在的前驅體相，并經歷CPA伴隨相變的系統的經典例子。結合80攝氏度的原位透射電子顯微鏡（TEM）和“冷凍觀察”TEM，作者在草酸鹽（Ox）存在的情況下追蹤了赤鐵礦（Hm）介晶的形成，原因在于草酸鹽（Ox）在土壤中含量豐富，氧化鐵是常見的，從而為天然存在的氧化鐵的異常形態提供了可能的解釋。研究表明，發現孤立的Hm粒子很少出現，但一旦形成，在被Ox覆蓋的表面上的界面梯度會驅使Hm粒子從表面重復約2納米成核，然后它們附著在表面上，從而產生介晶。綜上所述，以上發現和與其他系統的比較表明，由界面驅動的CPA過程可能在合成和自然環境中均廣泛存在。相關研究成果以“Self-similar mesocrystals form via interface-driven nucleation and assembly”為題發表在Nature上。

【圖文導讀】

圖一、由Fh納米粒子形成紡錘形的Hm介晶

圖二、Hm主軸與Fh的關系

圖三、TEM觀察Hm形核

圖四、Hm-溶液界面的結構和熱力學

文獻鏈接：“Self-similar mesocrystals form via interface-driven nucleation and assembly”(Nature，2021，10.1038/s41586-021-03300-0)

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