電荷驅動水中氧化物納米顆粒自組裝的原位透射電子顯微鏡研究

吳凱

北京大學化學與分子工程學院，北京 100871

由于氧化物納米材料具有較大的比表面積和表面活性，因此被廣泛地應用于催化、能源儲存、納米器件等各種領域。人們通過各種不同的合成技術手段，實現對氧化物納米材料表面形貌進行調控，進而獲得具有優異性能的納米材料。在各種納米材料合成手段中，可控性自組裝技術是一種有效調控納米材料尺寸及形貌特征的方法，在納米材料的合成以及制備方面具有較大的應用潛力1。納米顆粒的自組裝過程及其自組裝的結構形態特征，常常受到納米顆粒之間的范德華力、氫鍵、靜電力、疏水性、偶極矩等相互作用的影響2-5。

原位研究納米顆粒的自組裝過程，有助于人們更好地了解納米材料自組裝的驅動力及其原理，從而為改進實驗工藝提供理論技術指導。然而，由于納米顆粒的自組裝過程往往發生在液體之中，用常規的透射電鏡無法進行觀察研究。因而，需要通過在透射電鏡內搭建液體腔室的技術，實現在微觀尺度下觀察研究液體環境中納米材料的結構演變及自組裝過程等6-8。鑒于此研究領域的重要性，北京工業大學固體微結構與性能研究所隋曼齡研究組的趙喆、盧岳、張振華等人利用液體環境透射電子顯微鏡，原位觀察了四氧化三鈷納米棒在水中的自組裝過程。

該工作已在物理化學學報上在線發表(doi:10.3866/PKU.WHXB201806012)8。該工作通過電子束輻照改變水溶液的介電常數，從而導致水的導電性增強，進而利用液體環境透射電子顯微鏡觀察四氧化三鈷納米棒之間產生相對運動，以及自組裝成納米棒的生長動力學進程。同時，他們發現四氧化三鈷納米棒的晶面存在互補式自組裝現象：隨著納米棒之間的距離逐漸接近，納米棒之間的相對運動速率逐漸增加，納米棒之間的相互作用力也逐漸增強。通過對四氧化三鈷納米棒進行形貌特征表征以及所暴露的晶面分析，他們認為四氧化三鈷納米棒表面的極性晶面電荷補償不完全9，表面剩余電荷的極性對納米棒之間的自組裝起到了決定性的影響。希望本文能夠為了解氧化物納米材料的自組裝現象提供認識和幫助。