合肥工业大学宋晓辉团队在原位液相TEM领域取得突破-壳核纳米线生长机理研究取得进展
近日，合肥工业大学宋晓辉副教授团队在纳米材料原位成像领域取得重大进展。研究利用液相透射电子显微镜（LPTEM）、冷冻透射电子显微镜（Cryo-TEM）以及三维电子断层扫描等手段，在原子分辨率下首次动态揭示了金属核壳纳米线的三阶段生长过程。相关成果以《Observation of nanoparticle coalescence during core-shell metallic nanowire growth in colloids via nanoscale imaging》为题，于2025年5月23日发表在国际知名期刊《Nature Communications》，合肥工业大学为第一通讯作者单位，第一作者为材料科学与工程学院2022级硕士生杨大海，通讯作者为材料科学与工程学院宋晓辉副教授。
图1：原位TEM实验研究壳-核AuAg合金纳米线生长过程
金属纳米线由于其独特的形貌和晶体结构调控能力，在能源转换、光电器件、电催化等领域具有重要应用前景。其中，核壳结构金属纳米线因其表面结构的精细调控能力成为材料设计的重要研究方向。然而，核壳纳米线一维结构所带来的界面复杂性，使其生长机制长期处于“黑箱”状态，尤其缺乏原子尺度下的生长动态认知。针对这一难题，研究团队引入先进的液相透射电子显微技术（LPTEM）和冷冻透射电镜（Cryo-TEM），结合三维电子断层扫描手段，实现了纳米线生长过程的实时追踪与立体重建。
在实验过程中，研究人员以贵金属（Au、Pd、Pt）及过渡金属（Fe、Ni、Cu、Ru）为外壳材料，系统研究了其在AuAg种子纳米线表面沉积、生长与融合的全过程。研究发现，该过程可以分为三个典型阶段：异相成核、纳米颗粒附着与融合。与传统“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。其中，贵金属纳米颗粒更倾向于沿〈111〉晶向优先融合形成表面光滑的核壳结构，而过渡金属则融合行为各异，表面粗糙程度显著增加。
为排除电子束对实验过程的干扰，研究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。此外，通过应变分布分析与分子动力学模拟，研究进一步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。
图2： 断层扫描重构3D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。
实验结果表明，该三阶段生长机制在手性与非手性种子纳米线中均适用，具有良好的普适性，且不依赖于晶体结构或外加配体。这一发现不仅拓展了纳米晶体传统生长理论，也为核壳结构设计、界面调控提供了新的范式，对未来可编程纳米材料的合成具有重要指导意义。
本研究依托合工大的分析测试中心电镜平台，充分发挥了团队在原位高分辨成像、图像处理与材料构建机制研究方面的多学科交叉优势。该成果的取得，有力推动了我校在功能纳米材料合成设计方向的国际影响力。
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