用原子级分辨率解析单个纳米粒子的3D结构

每个白色球体代表一个铂原子的位置。

液相电子显微镜阐明了铂纳米粒子的3D原子结构，从而促进了对纳米工程技术的完全控制。

您在上图中看到了什么？仅仅是纳米颗粒的精确绘制的三维图片？由于发表在《科学》杂志上的一项新研究，纳米技术专家会说的远不止这些。一种材料是催化化学反应还是阻止任何分子反应都与它的原子排列方式有关。纳米技术的最终目标是围绕逐个原子设计和构建材料的能力，从而使科学家能够在任何给定情况下控制其性能。但是，原子成像技术不足以确定液体溶液中材料的精确三维原子排列，这将告诉科学家材料在日常生活中（例如在水或血浆中）的行为。

8个重建的纳米晶体的3D密度图，原子位置图和应变图显示了单个颗粒之间的临界差异。

基础科学研究院（韩国IBS）纳米粒子研究中心的研究人员与澳大利亚莫纳什大学生物医学发现研究所的Hans Elmlund博士以及美国劳伦斯伯克利国家实验室分子铸造的Peter Ercius博士合作，已经报道了一种新的分析方法，可以解析原子级分辨率的纳米粒子的3D结构。可以以0.02 nm的精度提取单个纳米粒子的3D原子位置，这是最小原子：氢的六倍。换句话说，这种高分辨率方法可以检测单个原子及其在纳米粒子中的排列方式。

研究人员称他们的开发为3D SINGLE（通过石墨烯液体细胞电子显微镜对纳米颗粒进行结构鉴定），并利用数学算法从地球上最强大的显微镜之一采集的2D成像数据集中得出3D结构。首先，将纳米晶体溶液夹在两个石墨烯片之间，每个石墨烯片的厚度仅为一个原子（下图）。“如果鱼缸是用厚的材料制成的，那很难看透。由于石墨烯是世界上最薄，最坚固的材料，因此我们创建了石墨烯袋，使显微镜的电子束可以透过该材料，同时密封液体样品。”该研究的相应作者之一PARK Jungwon解释说（首尔大学化学与生物工程学院助理教授）。

示意图显示了包含在两片石墨烯之间的液体样品，这是已知的最薄，最坚固的材料。液体中的纳米粒子可自由旋转，而透射电子显微镜可拍摄数千个纳米粒子图像。然后由作者的软件对图像进行分析，以确定每个纳米粒子中每个原子的位置。

研究人员使用高分辨率透射电子显微镜（TEM）以每秒400张图像的速度在液体中自由旋转的每个纳米粒子获得电影。然后，研究小组运用他们的重建方法，将2D图像组合成显示原子排列的3D地图。定位每个原子的精确位置将告诉研究人员纳米粒子是如何产生的，以及它将如何在化学反应中相互作用。

该研究定义了八个铂纳米粒子的原子结构-铂是最有价值的贵金属，用于许多应用中，例如用于燃料电池和石油精炼的能量存储的催化材料。即使所有颗粒都是在同一批次中合成的，它们在原子结构上仍显示出重要差异，这会影响其性能。

剩下：高度有序的（晶体）纳米粒子的3D渲染。每个银球代表一个Pt原子的测量位置。对：秩序井然的纳米粒子的3D渲染。纳米颗粒包含缺陷，使用任何其他方法都难以检查。

现在，可以通过实验确定仅在理论上得到推测的纳米材料的精确3D结构。我们开发的方法将有助于使用纳米材料的领域，例如燃料电池，氢载体和石化合成。研究的第一作者KIM Byung Hyo博士说。值得注意的是，该方法可以测量单个纳米颗粒表面原子的原子位移和应变。来自3D重建的应变分析有助于在原子尺度上表征纳米催化剂的活性位，这将使基于结构的设计能够提高催化活性。该方法还可以更广泛地促进纳米材料性能的提高。

“我们已经开发了一种开创性的方法，用于确定在其原生环境中控制原子级原子级纳米粒子的物理和化学性质的结构。该方法将为合成纳米材料提供重要线索。IBS纳米粒子研究中心主任HYEON Taeghwan指出：“我们引入的算法通过蛋白质的结构分析和大数据分析与新药开发有关，因此我们期望将其进一步应用于新的融合研究。”

参考：“ Byung Hyo Kim，Junyoung Heo，Sungin Kim，Cyril F. Reboul，Hoje Chun，Dohun Kang，Hyeonhu Bae，Hyejeong Hyun，Jongwoo Lim，Hoonkyung Lee， Han Byungchan Han，Taeghwan Hyeon，A.Paul Alivisatos，Peter Ercius，Hans Elmlund和Jungwon Park，2020年4月3日，科学.DOI：
10.1126 / science.aax3233

这项研究得到了基础科学研究所（IBS），三星科学技术基金会（SSTF）和分子铸造（美国能源部（DOE）科学用户设施办公室）的共同支持。