复旦学者设计二元模型体系，探究纳米颗粒的混溶性变化规律

‍含有多种元素的复合材料在很多领域具有重要的应用价值，而控制各元素在材料中的分布，无论是对材料的整体结构还是性质都至关重要。

在研发宏观尺度下的块体材料时，研究者们一般可以利用相图对材料结构、元素分布等进行设计。

当把材料的整体尺寸减小到纳米、亚纳米等微观尺度时，宏观相图却有可能不再适用。

例如有理论研究表明，不互溶的元素在 1-10 纳米尺寸的纳米颗粒内，元素间的不混溶间隙会逐渐减小甚至被消除。

但是在实验层面，目前在领域内尚无系统全面的实验证据来解答纳米材料的尺寸如何影响元素间的热力学混溶行为。

由于对微观尺度元素热力学行为知识缺乏足够了解，阻碍了学者们去更好地设计构筑具有特定结构的多元纳米材料。

在这一研究背景下，复旦大学陈鹏程教授和合作者从眼见为实的实验角度出发，设计了一款二元模型体系，探究了在不同组成不同尺寸的纳米颗粒中，不互溶元素的混溶性如何变化。

图 | 陈鹏程（来源：陈鹏程）

通过此，他们系统性地揭示了不互溶元素在微观尺度材料中的相容性转变现象，同时结合理论模拟阐释了引起元素相容性转变的关键因素。

对于相关论文审稿人评价称：“该工作将改变研究者们原本对于纳米尺度热力学行为碎片式的认知。作者通过高质量的实验数据首次向人们系统性展示了从宏观到微观，元素相容性的变化过程，对纳米材料在众多领域的应用都具有重要意义。”

陈鹏程表示，该工作展示了在宏观上不相容的元素在微观尺度上其实也可能相容，由此为多元纳米材料的开发提供了新思路，极大拓宽了设计空间。

目前多元纳米材料已经被广泛应用于高效催化、纳米光电器件等领域。该工作的发现将为学者们如何更好地设计多元纳米材料的结构，提供基础理论依据和指导。

一些之前被认为有应用价值但由于不稳定而被忽视的材料，或许并不存在稳定性问题，这些多元纳米材料仍具有重要的研究意义。

据介绍，几年前当陈鹏程的博士后生涯刚刚开始的时候，经过和导师的多次探讨，敲定了要研究纳米颗粒中的元素相容性变化这一大方向。

由于他之前的工作一直聚焦于多元纳米材料，对这一方向有些基本了解。同时在阅读相关文献后，对可能遇到的挑战也有了初步评估。

包括寻找适合研究的模型纳米颗粒体系，制备宽参数范围内的纳米颗粒，表征不同元素在颗粒内的热力学分布，以及对热力学相行为的机理解释等。

在确定大方向后，陈鹏程开始着手合成由不互溶元素构成的二元纳米颗粒。这期间对很多体系进行了筛选。

由于本次的研究对象是具有超小尺寸、而且由不相容元素组成的纳米颗粒，这两个特性决定了这类纳米材料本身就不容易被合成，并且在表征方面，纳米颗粒也非常容易受到外界环境的影响。

在整个研究历程中，该阶段花了最多的时间，包括去优化不同组成、不同尺寸的模型纳米颗粒的合成，进行纳米颗粒的系统性电子显微学表征，解析纳米颗粒的热力学相行为和稳定性等。

关键性的实验数据基本上在该阶段的前期就已获得，但后续花了很多时间把整个工作做得更系统和全面，以及在取得大部分实验数据充分证实研究结论后，又花了近一年的时间对元素相容性转变机理开展了理论层面的深入探索。

最终，相关论文以《不混溶元素在纳米尺度上完全混溶》（Complete miscibility ofimmiscible elements at the nanometre scale）为题发在 Nature Nanotechnology[1]，陈鹏程是第一作者，美国加州大学伯克利分校杨培东教授担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature Nanotechnology）

而如何去阐释文献中互相矛盾的观点，以及和本次工作之间存在的冲突点，是陈鹏程遇到的难题之一。

在文献报道中，很多理论层面的研究认为核壳结构是二元不互溶体系的最稳定构型，但是该结论其实和包括本次工作在内的很多实验报道相冲突，理论研究和实验研究的结果差异在领域内一直没有被解决。

在经过近一年的理论模拟-讨论-无法解释，再模拟-再讨论-还是无法解释的反复死循环后，最终找出了理论研究中容易忽略、而实验研究中又不可规避的一些关键因素。

通过对两种研究范式的结论差异进行合理诠释，也促进了学界对于微观尺度元素热力学行为的认知。

另据悉，多元纳米材料的一大研究难点是其庞大的参数空间，包括元素组合、元素比例、材料尺寸、晶体结构、合金分相等等，这就要求学者们必须建立起切实有效的高通量研究手段。

一方面从实验角度入手，需要搭建高通量实验平台，积累相应的关键数据集；另一方面，从理论研究角度切入，AI 将是非常好的助力手段。

基于现有数据集，AI 将协助研究者们加快材料的研发节奏。所以和很多其他实验科学领域一样，需要实验研究和 AI 研究两方面的深度结合，相辅相成，互相促进。

另据悉，在该团队的前期研究中[2]，开创了多元纳米颗粒的数据库式制备方法。该方法入选 2022 年 IUPAC 化学领域十大新兴技术，打开了系统性研究多元纳米体系的大门，受到了国际同行的广泛关注和跟进。

目前在多元纳米材料领域，已经有很多工作关注如何制备新型材料应用于能源催化等领域。但是与此相对比，研究者们对微观尺度多元素体系的热力学行为却理解得很少。

这就好比人们发现了一类具有很多有意义性质的新材料，却对如何调控这类材料，这类材料的构效关系为何等等支撑起整个领域的底层知识架构体系缺乏理解。

在这项工作中，研究结果其实仅仅展现了微观尺度多元体系基础研究的冰山一角，还有广阔的空间亟待我们去继续挖掘和解答。

据介绍，陈鹏程个人对基础研究特别感兴趣，基于自己前期在微观多元体系的研究积累，后续将继续对该领域的基础科学问题开展深入探索，夯实学界对该领域的基础科学认知。

参考资料：

1.Chen, P. C., Gao, M., McCandler, C. A., Song, C., Jin, J., Yang, Y., ... & Yang, P. (2024). Complete miscibility of immiscible elements at the nanometre scale.Nature Nanotechnology, 1-7.

2.Science,2016,352,1565；Science,2019,363,959

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