重大突破！合工大科研团队解锁核壳纳米线生长 “黑箱”，刷新纳米晶体生长理论

近日，合肥工业大学材料科学与工程学院宋晓辉副教授团队在纳米材料领域取得了一项重磅科研突破，相关成果已发表在国际顶级期刊《自然・通讯》（原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-60135-3）上！这项研究首次在原子分辨率下动态揭示了金属核壳纳米线的三阶段生长过程，解锁了长期以来核壳纳米线生长机制的 “黑箱” 难题。

一、核壳纳米线的 “潜力” 与 “谜题”

金属纳米线凭借独特的形貌和晶体结构调控能力，在能源转换、光电器件、电催化等多个领域都有着不可估量的应用潜力。从高效的太阳能电池到高性能的传感器，金属纳米线都有望成为核心材料之一。

其中，核壳结构金属纳米线因为能实现表面结构的精细调控，成为材料设计领域的研究热点。通过调控核壳结构，科学家们可以精准改变材料的电子、光学和催化性能，为开发新型功能材料提供更多可能。

但由于核壳纳米线一维结构带来的界面复杂性，其生长机制长期处于 “黑箱” 状态，科学家们一直缺乏原子尺度下的生长动态认知，这也限制了这类材料的进一步设计与应用。

二、多技术联合解锁原子尺度动态过程

为了破解这一难题，宋晓辉副教授团队引入了多种前沿技术，实现了对纳米线生长过程的精准追踪与分析：

·液相透射电子显微镜（LPTEM）：可以在液相环境下实时观察纳米线的生长过程，捕捉原子尺度的动态变化；

·冷冻透射电子显微镜（Cryo-TEM）：通过冷冻固定的方式，保存纳米线生长的关键状态，避免电子束对样品的干扰；

·三维电子断层扫描：实现了纳米线生长过程的立体重建，让科学家们能从三维视角观察纳米线的结构变化。

图1：原位TEM揭示壳/核AuAg合金纳米线生长过程

为了确保实验结果的准确性，团队还采用了低剂量 LPTEM 成像、冷冻固定快照，以及三维断层重建等多种方法相互印证，首次在无有机配体的胶体体系中成功实现了金属纳米颗粒融合行为的三维原子分辨率重构。

三、三阶段生长机制刷新传统认知

研究团队以贵金属（Au、Pd、Pt）及过渡金属（Fe、Ni、Cu、Ru）为外壳材料，系统研究了它们在 AuAg 种子纳米线表面的沉积、生长与融合全过程。

结果发现，这个过程可以分为异相成核、纳米颗粒附着与融合三个典型阶段，与传统的 “二步成核 — 生长模型” 不同，团队提出了颗粒协同融合驱动的三阶段新机制。

图2： 电子断层扫描3D重构图像，明确晶向融合方向

图3：应变分析与仿真揭示结构演变的应力起源

更有意思的是，不同金属的融合行为还有着明显差异：

·贵金属纳米颗粒更倾向于沿〈111〉晶向优先融合，最终形成表面光滑的核壳结构；

·过渡金属的融合行为各异，形成的核壳结构表面粗糙程度会显著增加。

此外，团队还通过应变分布分析与分子动力学模拟，揭示了金属沉积诱发的纳米线内部应力演化路径，为双螺旋结构的形成提供了新的力学解释。

四、为纳米材料合成提供新范式

实验结果表明，这个三阶段生长机制在手性与非手性种子纳米线中都适用，具有良好的普适性，而且不依赖于晶体结构或外加配体。

这一发现不仅刷新了纳米晶体的传统生长理论，还为核壳结构设计、界面调控提供了新的范式，对未来可编程纳米材料的合成有着重要的指导意义。未来，科学家们可以根据这一机制，精准设计和合成具有特定结构和性能的核壳纳米线，为能源、催化、电子等领域带来更多创新应用。