在原子尺度上，像搭乐高积木一样随心所欲地控制不同材料的生长方向与位置，是材料科学家长期追求的目标。就像建筑的结构决定了它的用途，纳米材料的形状、组成和排列方式，直接决定了它是能成为高效的催化剂，还是灵敏的生物探针。
宁波东方理工大学理学部副教授温诗辉团队通过巧妙结合“晶格失配工程”与“位点选择性生长”技术，提出了一种“可编程”的纳米合成范式。他们成功掌握了一套微观世界的“施工图纸”，让不同材料能按需、精准地长在预定位置。近日，相关研究成果发表于国际顶级期刊《美国国家科学院院刊》（PNAS）。
微观建造的两大“拦路虎”
在微观世界搞“建造”，有两个令人头疼的难题。一是晶格失配：不同材料的晶体原子间距不同，如果间距差较小，材料会像抹腻子一样均匀覆盖；间距差太大，则会像在光滑地板上泼水，缩成一个个孤立的球。二是位点控制：因为纳米世界没有“塔吊”，如何让新材料精准地长在纳米棒的指定位点，而不是随地乱长，一直是困扰科学家的挑战。
纳米级的“指哪打哪”
针对以上两大核心痛点，温诗辉团队给出了一份完美的“施工指南”，通过物理晶格应变与化学配体吸附的双重调控，实现了异质纳米晶体的精确按需生长。
研究的一大亮点是团队利用稀土“家族成员”众多且尺寸连续可调的特性，系统研究了不同“身材”材料组合的效果，给出了精准的量化标准：当晶格失配度小于2.0%时，材料“丝滑贴合”，形成均匀包覆层；失配度在2.0%到5.1%之间时，则会“精准点缀”，像在一根长棍上整齐镶嵌一圈红宝石，形成岛状结构；而一旦失配度大于7.1%，新材料就会“各过各的”，自立门户形成新颗粒。这一发现为“可编程”合成提供了底层的物理逻辑。
此外，团队还发现了一种“化学胶水”——表面配体的神奇魔力。利用强结合配体（如油酸盐）表面选择性保护，给新材料装上导航，实现纳米棒的“棱边”上生长，形成规整的岛状结构。而使用弱配体时，生长则是“随缘”的，材料会随机铺开。通过调节反应温度，研究人员甚至能控制这些“点缀物”的数量和间距，实现真正的精细调控。
基于这些规律，团队在实验室内完成了一场“微雕”：他们在同一根仅有160纳米长、50纳米宽的纳米棒上，集成了4种不同的稀土元素，搭建出了包含14个功能层级的复杂三维结构。这就像在头发丝直径五百分之一大小的土地上，盖起了一座功能复杂的现代化综合体，且每个元素都精准待在预设房间里，互不干扰。
传统纳米材料曾因设计单一、功能死板而受限，如今温诗辉团队提出的“可编程”纳米合成范式，为“材料按需定制”打开了无限可能。无论是捕获阳光的高效催化剂，还是穿透组织探测疾病的生物探针，抑或支撑量子计算的高性能光源，这种像搭建“乐高”般的合成方法，未来还将催生更多意想不到的创新应用。
宁波东方理工大学博士后王蕊、访问学生乔梦想为论文共同第一作者，宁波东方理工大学温诗辉为论文通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金重大项目、复旦大学重点实验室高级访问学者计划等项目支持。
相关论文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2529085123
