巧搭“原子砖”，让纳米材料“指哪长哪”

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科技日报记者 夏凡 通讯员 姚瑶

想象一下，在仅有头发丝直径万分之一的尺度上，科研人员像搭乐高一样，按照需求把不同元素、不同结构精准组装在一起，实现“指哪长哪”的原子级控制。这并非科幻场景，而是科研团队实现的纳米“可编程”合成。

宁波东方理工大学副教授温诗辉团队巧妙结合晶格失配工程与位点选择性生长技术，为高复杂度异质纳米晶的可控合成提供了关键技术支撑。相关研究成果近日发表于国际学术期刊《美国国家科学院院刊》。

传统合成技术存在短板

走进温诗辉的实验室，只见通风柜内摆放着一个个玻璃反应器，它们相当于微观世界的“建筑工地”。只不过，这里的“砖块”是原子，化学反应是驱动组装的“施工动力”，而晶格规则、反应参数与表面配体，恰似科研人员使用的微观“施工工具”。

温诗辉告诉记者，从纳米科学兴起以来，异质纳米晶凭借多组分协同效应，成为催化、光子学、生物医学等领域的核心材料。然而，随着科技发展对材料性能的要求日益提高，传统纳米晶合成技术开始暴露短板：多数异质纳米晶仍停留在“核壳”这一相对简单的结构模式，难以构建更复杂的三维层级结构；同时，异质化材料生长过程高度依赖经验调节，人们难以把握晶格失配和生长行为之间的关联。因此，复杂纳米体系的精准构筑长期面临挑战。

什么是晶格？温诗辉介绍，可以将晶格理解为材料内部原子的“排列队形”。不同材料中的原子虽然都整齐排列，但排列的间距和方式并不完全相同，就像不同厂家生产的积木，接口尺寸可能存在差异。而晶格失配，就是指两种材料在拼接界面处出现原子间距差异。如果差异很小，两种材料就能严丝合缝地拼接在一起；如果差异较大，拼接处就会产生错位，甚至影响材料继续生长。

团队将目光投向晶格—配体协同调控策略，试图突破这一技术壁垒，以稀土氟化物纳米晶为模型体系展开研究。

纳米晶有了精准“导航”

要实现纳米材料的精准制备，必须解决两大“拦路虎”。

一是不同材料拼接时的晶格适配问题。如果接口尺寸差异太大，两种材料就难以稳定拼接，甚至会产生应力积累和结构缺陷。二是要让新材料精准长在预定位置。即使两种材料能够结合，新生长的材料也往往会随机附着在主体表面，很难被精确控制生长位置。这种“到处开花”的生长模式严重限制了复杂纳米结构的设计。

团队采用高分辨透射电子显微镜和X射线衍射技术，像做原子级“CT扫描”一样，解析界面处的晶格畸变和应变分布。研究人员发现，晶格失配会在界面处产生可控应变，而这种应变又反过来调控外延材料的生长方向和形貌。

“我们聚焦稀土氟化物体系，把晶格失配这个‘拦路虎’变成了‘指挥棒’。”论文第一作者、宁波东方理工大学博士后王蕊介绍，稀土纳米晶体“家族成员”众多，不同稀土元素的离子半径连续可调，对应的氟化物晶格参数也可在一定范围内连续变化。这为研究晶格失配与生长模式的关系提供了理想模型。团队以六方相氟化钇钠（NaYF4）纳米棒为基底，外延生长了8种不同晶格参数的稀土氟化物，并系统研究了晶格失配度与生长模式的定量关系，首次绘制出晶格失配—生长模式相图。

王蕊告诉记者，当晶格失配度小于2.0%时，材料丝滑贴合，形成均匀包覆层；当失配度在2.0%—5.1%时，会精准“点缀”，像在一根长棍上整齐镶嵌一圈红宝石，形成岛状结构；当失配度大于7.1%时，新材料会“自立门户”，形成独立的纳米颗粒，无法实现外延生长。这一发现为“可编程”合成提供了底层物理逻辑。团队成员从结果倒推发现，想要实现多段结构的精准生长，就需要同时控制“长什么”和“长在哪”。

团队成员很快想到了配体调控策略。在对比了几种表面活性剂后，他们发现油酸/油酸盐这类强结合配体可以有效保护纳米棒的晶面，而将棱边暴露出来。这一特性让棱边成为优先“施工点”，相当于给纳米棒贴上了生长标记。

“选择强配体，就是为了给纳米晶划定‘施工’区域。”温诗辉说，在温和反应条件下，通过调控配体浓度和反应温度，棱边的成核率可高达99.8%，实现几乎完美的位点选择性生长，让新材料仅生长在纳米颗粒的预定位置。

这种策略相当于给纳米晶装上了精准“导航”。“过去我们只能看着材料‘自由发挥’，现在我们可以主动干预，让它长在我们想要的地方。就像在建筑工地上，我们终于有了塔吊和施工线，可以精准定位每一块砖的放置位置。”温诗辉说。

按需定制材料有望实现

“我们不光要解析异质化生长的原理和机制，还要利用这些机制来指导纳米晶体的设计合成，实现材料制备的终极目标——编程化按需定制。”温诗辉说。

为了实现多元素生长的“按需结合”，团队设计了7段交替结构的纳米棒作为基底。当同时加入两种不同的稀土氟化物前驱体时，它们会各自“识别”并优先选择与自身晶格参数更为匹配的基底分段进行生长，自动完成“对号入座”。最终，团队成功制备出一根包含4种元素、14个功能段的多级纳米晶，尺寸仅160纳米长、50纳米宽，实现了原子级复杂结构的精准控制。

这项“可编程”纳米合成技术，究竟能带来什么？

温诗辉介绍，基于类似原理的异质结构已在多个领域展现出实用潜力。在生物医学领域，通过设计异质结构，可将稀土纳米晶的X射线余辉发光强度提升数十倍，为低剂量高分辨三维成像提供可能。利用晶格匹配构建的上转换发光多元异质结构，已在肿瘤诊疗中取得显著效果。在催化与能源领域，精确构筑的异质界面可赋予材料多重催化活性，为高效能源转化开辟新路径。在量子信息领域，这种精确组装的纳米结构可能支撑起高性能的单光子源，推动量子计算的发展。

放眼未来，这种“指哪长哪”的原子级操控能力，还有望催生能够主动响应伤口环境的智能敷料、在人体内执行复杂任务的纳米机器人，乃至按需定制功能的“材料编译器”。

“我们的方法为材料按需定制打开了无限可能。”温诗辉说，“过去纳米材料受限于单一的结构和功能，现在我们可以像编程一样设计材料，让它拥有我们想要的多种性能。”