電荷驅(qū)動(dòng)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(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)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(yīng)用于催化、能源儲(chǔ)存、納米器件等各種領(lǐng)域。人們通過(guò)各種不同的合成技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)氧化物納米材料表面形貌進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)而獲得具有優(yōu)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(shù)是一種有效調(diào)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(yīng)用潛力1。納米顆粒的自組裝過(guò)程及其自組裝的結(jié)構(gòu)形態(tài)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(guò)程，有助于人們更好地了解納米材料自組裝的驅(qū)動(dòng)力及其原理，從而為改進(jìn)實(shí)驗(yàn)工藝提供理論技術(shù)指導(dǎo)。然而，由于納米顆粒的自組裝過(guò)程往往發(fā)生在液體之中，用常規(guī)的透射電鏡無(wú)法進(jìn)行觀察研究。因而，需要通過(guò)在透射電鏡內(nèi)搭建液體腔室的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在微觀尺度下觀察研究液體環(huán)境中納米材料的結(jié)構(gòu)演變及自組裝過(guò)程等6-8。鑒于此研究領(lǐng)域的重要性，北京工業(yè)大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)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(huán)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(guò)程。

該工作已在物理化學(xué)學(xué)報(bào)上在線發(fā)表(doi:10.3866/PKU.WHXB201806012)8。該工作通過(guò)電子束輻照改變水溶液的介電常數(shù)，從而導(dǎo)致水的導(dǎo)電性增強(qiáng)，進(jìn)而利用液體環(huán)境透射電子顯微鏡觀察四氧化三鈷納米棒之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以及自組裝成納米棒的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)程。同時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)四氧化三鈷納米棒的晶面存在互補(bǔ)式自組裝現(xiàn)象：隨著納米棒之間的距離逐漸接近，納米棒之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速率逐漸增加，納米棒之間的相互作用力也逐漸增強(qiáng)。通過(guò)對(duì)四氧化三鈷納米棒進(jìn)行形貌特征表征以及所暴露的晶面分析，他們認(rèn)為四氧化三鈷納米棒表面的極性晶面電荷補(bǔ)償不完全9，表面剩余電荷的極性對(duì)納米棒之間的自組裝起到了決定性的影響。希望本文能夠?yàn)榱私庋趸锛{米材料的自組裝現(xiàn)象提供認(rèn)識(shí)和幫助。