近日，我院谢兆雄教授和匡勤教授课题组在厘清晶体生长过程中决定亚稳态纳米晶结构的关键因素取得重要进展，相关研究结果以“Tailoring the Chemical Potential of Crystal Growth Units to Tune the Bulk Structure of Nanocrystals”为题发表于Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.202000447)。
在固体纳米晶领域，除热力学稳定态外，还存在多种形式的热力学亚稳态（如高表面能晶面裸露的纳米晶、不同晶相纳米晶、孪晶纳米晶）。迄今，热力学亚稳态的无机纳米晶大都是在实验过程中偶然发现或者通过试错的方式合成得到的。尽管已经有一些规律性的总结，人们对亚稳态纳米晶的生长机制仍然缺乏足够深入的了解。
在前期研究中，谢兆雄教授课题组在国际上首次从最基本理论出发，dG = mldnl + mcdnc + sdS = 0，推导发现在理想体系晶体生长过程中，纳米晶裸露晶面的表面能（sdS）与其晶体生长基元的过饱和度（ml-mc）相关，并经系列实验验证了该调控原理的普适性（J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 931；Sci. China Mater. 2015, 58, 281; Acc. Chem. Res. 2018, 51, 2880）。
前期研究仅涉及特定体相结构的纳米晶的生长，即mc为常数。在本研究中，谢兆雄教授课题组提出：结晶成核阶段的产物可能出现的不同体相结构纳米晶，这意味着存在不同的mc；因此，可以推断生长基元的化学势（ml）除了可以调节产物的表面结构（表面能）外，也可以调节产物的体相结构，尤其是在成核阶段。为此，该课题组通过简单改变反应容器材质（憎水的聚四氟乙烯和亲水的玻璃）来调控晶体成核临界过饱和度，成功实现对Pt和Pd纳米晶产物从五重孪晶二十面体到单晶立方体或八面体的转变。研究结果表明，高化学势的生长基元在成核阶段可以产生高化学势的晶核。该研究厘清了晶体生长过程中决定亚稳态纳米晶结构的关键因素，不仅完善相关晶体生长理论，还可以指导合成具有不同热力学亚稳态的纳米晶。
该项研究是在谢兆雄教授与匡勤教授的共同指导下完成的，第一作者为我院已毕业博士生张嘉伟，已毕业硕士生杜桂芬、博士生李慧齐等参与了研究。该工作得到了科技部重点研发计划项目（2017YFA0206500和2017YFA0206801）以及国家自然科学基金委重点项目（21931009）、创新研究群体项目（21721001）以及面上项目（21773190和21671163）的经费支持。
论文链接：https://doi.org/10.1002/smtd.202000447
