核殼納米顆粒（CS-NPs）因其新穎的特性而被廣泛應用于催化、光學、電子和生物醫學領域。核殼納米顆粒的優異性能來源于核層和殼層材料之間的多種物理化學性質的協同作用，由核殼固-固界面中原子的三維排布所決定。通過設計核、殼兩部分的成分、尺寸和形貌，可以精确控制核殼顆粒的結構和形态，從而調控顆粒的整體性能。因此，表征核殼納米顆粒的結構，特别是在原子分辨尺度精确定位核殼固-固界面的原子三維坐标和化學分布，對于理解核殼納米顆粒的整體構效關系至關重要。

常見的顯微成像方法往往隻能獲取樣品的二維投影或者探測樣品的表面結構，例如常規的透射電子顯微學（TEM）或掃描透射電子顯微學（STEM）成像，它們在深度方向的信号往往是重疊的，由此獲得的納米和原子分辨尺度結構信息可能存在失真。而譜學技術獲得的信号往往是較大尺度的平均信息。這些方法都難以直接探測核層與殼層之間固-固界面的三維原子排布。

圖1.使用原子分辨電子三維重構技術解析核殼納米顆粒的結構

近日，周繼寒課題組通過原子分辨電子斷層掃描（AET）技術，在單原子水平上解析了不同形貌的钯鉑（Pd@Pt）核殼納米顆粒的三維結構（圖1），包括兩個五重十面體孿晶和一個截角八面體單晶。研究得到了不同顆粒的三維坐标、化學組成、配位數、鍵長分布、局域鍵取向有序度以及三維應變等大量精确信息。實驗觀察到Pd@Pt納米顆粒核殼的異質外延生長，并解析了核層和殼層之間原子尺度擴散的界面，精确确定了擴散界面的平均厚度（4.2 Å）。這樣的擴散界面與納米顆粒的形貌和晶體織構無關（圖2）。原子分辨的冷凍電鏡表征進一步表明，在殼層生長過程中Pd種子表面的原子會溶解至溶劑中；這與擴散型界面中分散存在的高濃度Pd的分布密切相關。基于以上結論作者提出了分步法合成核殼納米顆粒在原子尺度的反應機理。這一研究結果深化了對核殼納米材料界面結構的基礎理解，為精确調控納米材料的結構與性能提供了可能的策略。

圖2. Pd@Pt核殼納米顆粒中的擴散型原子界面

該研究成果以“核殼納米顆粒原子級擴散型界面的三維解析”（Probing the atomically diffuse interfaces in Pd@Pt core-shell nanoparticles in three dimensions）為題，近日發表于Nature Communications。beat365周繼寒研究員是該論文的通訊作者，第一作者為beat365官方网站的博士生李澤洲。合作者包括beat365化學學院的張亞文教授和美國伯克利國家實驗室的Colin Ophus研究員。

該研究得到了國家自然科學基金和北京分子科學國家研究中心等項目的資助，并得到了beat365電子顯微鏡實驗室、beat365分析測試中心和beat365高性能計算平台等的支持。

論文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-38536-z