核壳纳米颗粒（CS-NPs）因其新颖的特性而被广泛应用于催化、光学、电子和生物医学领域。核壳纳米颗粒的优异性能来源于核层和壳层材料之间的多种物理化学性质的协同作用，由核壳固-固界面中原子的三维排布所决定。通过设计核、壳两部分的成分、尺寸和形貌，可以精确控制核壳颗粒的结构和形态，从而调控颗粒的整体性能。因此，表征核壳纳米颗粒的结构，特别是在原子分辨尺度精确定位核壳固-固界面的原子三维坐标和化学分布，对于理解核壳纳米颗粒的整体构效关系至关重要。

常见的显微成像方法往往只能获取样品的二维投影或者探测样品的表面结构，例如常规的透射电子显微学（TEM）或扫描透射电子显微学（STEM）成像，它们在深度方向的信号往往是重叠的，由此获得的纳米和原子分辨尺度结构信息可能存在失真。而谱学技术获得的信号往往是较大尺度的平均信息。这些方法都难以直接探测核层与壳层之间固-固界面的三维原子排布。

图1.使用原子分辨电子三维重构技术解析核壳纳米颗粒的结构

近日，周继寒课题组通过原子分辨电子断层扫描（AET）技术，在单原子水平上解析了不同形貌的钯铂（Pd@Pt）核壳纳米颗粒的三维结构（图1），包括两个五重十面体孪晶和一个截角八面体单晶。研究得到了不同颗粒的三维坐标、化学组成、配位数、键长分布、局域键取向有序度以及三维应变等大量精确信息。实验观察到Pd@Pt纳米颗粒核壳的异质外延生长，并解析了核层和壳层之间原子尺度扩散的界面，精确确定了扩散界面的平均厚度（4.2 Å）。这样的扩散界面与纳米颗粒的形貌和晶体织构无关（图2）。原子分辨的冷冻电镜表征进一步表明，在壳层生长过程中Pd种子表面的原子会溶解至溶剂中；这与扩散型界面中分散存在的高浓度Pd的分布密切相关。基于以上结论作者提出了分步法合成核壳纳米颗粒在原子尺度的反应机理。这一研究结果深化了对核壳纳米材料界面结构的基础理解，为精确调控纳米材料的结构与性能提供了可能的策略。

图2. Pd@Pt核壳纳米颗粒中的扩散型原子界面

该研究成果以“核壳纳米颗粒原子级扩散型界面的三维解析”（Probing the atomically diffuse interfaces in Pd@Pt core-shell nanoparticles in three dimensions）为题，近日发表于Nature Communications。永利集团周继寒研究员是该论文的通讯作者，第一作者为77779193永利集团的博士生李泽洲。合作者包括永利集团化学公司的张亚文教授和美国伯克利国家实验室的Colin Ophus研究员。

该研究得到了国家自然科学基金和北京分子科学国家研究中心等项目的资助，并得到了永利集团电子显微镜实验室、永利集团分析测试中心和永利集团高性能计算平台等的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-38536-z