中国科学家实现纳米材料界面原位精确原子级控制

表面界面结构是决定纳米材料性能的关键因素。但是这个接口是活跃的，如何规范是当今科学界面临的巨大挑战。

经过近五年的研究，浙江大学、上海高等研究院、中国科学院、丹麦科技大学的研究团队合作，利用环境透射电镜原位表征和第一性原理计算，首次提出并实现了界面活性位的原子级精确原位调控。自下而上实现材料、器件结构和功能的精确控制和设计具有重要意义。这一成果于1月29日在国际权威杂志《科学》网上发表。

二氧化钛表面负载的金颗粒是一氧化碳转化为二氧化碳的重要催化剂，也是工业催化研究中常见的组合。浙大借助其擅长的原位环境电子显微镜进行催化反应实验。通过原子水平的原位表征，首次发现了两个现象：第一，在催化反应过程中看到金颗粒发生了外延旋转，通过视觉实验首次直观地证明了活性位点位于界面处。第二，发现当一氧化碳停止催化时，金粒子神奇地变回原来的位置。这次看到的催化剂旋转现象通常被认为是不可能的。

是什么让“不可能”变成“可能”？中国科学院上海高级研究所的理论团队根据实验结果，首先大胆猜测诱发粒子旋转的“罪魁祸首”是吸附在界面上的氧，并进行了一系列第一性原理和纳米尺度的热力学计算。结果表明，处于界面缺氧状态的颗粒与二氧化钛载体结合紧密，失去一定的吸氧能力，小角度旋转后的颗粒界面可以为吸氧提供许多良好的活性位点。为了更好地与吸附氧结合，适应高氧环境，发生粒子旋转。然而，在界面氧被活化并与一氧化碳反应后，颗粒回到它们的原始位置，以便与载体紧密结合。

“近十年的原位研究表明，纳米固体晶体材料远没有大家想象的那么‘硬’，而是像橡皮泥一样具有很强的原位塑性。”研究人员解释说。于是科研团队进一步提出了通过改变反应环境来精确控制界面的设计思路，最终在原位电子显微镜实验中得以实现。