3D成像技术捕捉纳米粒子中的动态原子位移，揭示意想不到的结构相

首尔国立大学工程学院的一个研究小组开发了一种技术，可以在三维空间中观察纳米粒子的原子结构变化。他们的研究解决了一个即使是过去的诺贝尔奖获得者也无法解决的长期挑战，该研究于1月29日在线发表在《自然通讯》上。

最近，纳米粒子引起了人们的极大关注，因为它们被广泛用于开发能源、环境和医学等尖端行业的功能材料。由于它们的纳米级尺寸——只有几纳米——纳米粒子表现出独特的物理和化学性质。它们的反应性因大小而异，因此观察结构变化至关重要

然而，现有的纳米结构分析技术存在局限性。它们通常仅限于真空条件下的固定纳米粒子，或者只提供多个纳米粒子的平均信息，将观察限制在简单的结构识别上。因此，在液体环境中直接观察单个纳米粒子随时间的三维原子结构仍然是一项艰巨的技术挑战

与纳米粒子不同，蛋白质的三维原子结构已经被阐明。这一突破是由三位获得2017年诺贝尔化学奖的科学家开发的革命性低温透射电子显微镜（cryo-TEM）技术实现的

在这一创新的基础上，Jungwon Park教授的研究团队通过开发一种使用石墨烯的“液体透射电子显微镜（液体TEM）”技术，进一步推动了该领域的发展，从而实现了溶液中纳米结构的三维可视化。该研究小组之前对这项技术的研究称为布朗断层扫描，于2020年登上《科学》杂志的封面。

代表性Pt纳米晶体的降噪TEM图像剪辑电影。来源：《自然通讯》（2025）。DOI:10.1038/41467-025-56476-8

继续这一轨迹，Park教授的团队现在开发了时间分辨布朗断层扫描技术，能够实时跟踪单个纳米粒子中的三维原子结构变化。这一进展为更深入地了解复杂化学反应过程中纳米粒子的原子级变化开辟了新的途径。特别重要的是，这项研究得到了三星未来技术发展计划的支持，该计划资助了应对科学重大挑战的开创性研究，成功地解决了一个以前无法解决的问题

研究小组开发了一种利用石墨烯液体细胞透射电子显微镜（graphene liquid cell TEM）技术观察溶液中自由移动的纳米粒子的方法。该方法涉及从多个角度捕捉随时间发生布朗运动（流体中微观粒子的随机运动）的纳米粒子，并将收集到的数据重建为三维可视化

与通常在真空条件下检查固定纳米粒子的传统TEM或仅提供大量纳米粒子平均信息的光谱方法不同，这一突破代表了重大的飞跃。这是有史以来第一项能够直接测量单个纳米粒子在液体环境中动态变化时的三维原子排列的技术

此外，研究小组使用新开发的技术，对蚀刻（化学腐蚀）过程中铂（Pt）纳米粒子在原子水平上的结构变化进行了深入研究。他们成功地捕捉到了表面原子在三维空间中分离（解吸）、重新排列或重新附着（重新吸附）的精确时刻

此外，他们发现，当纳米晶体的尺寸缩小到1 nm左右时，会出现高度无序的相——这是一个出乎意料的发现，因为铂通常表现出高度有序的原子结构。这项研究表明，即使由相同的元素材料组成，极小的纳米粒子也可能表现出与较大的纳米粒子不同的独特结构特征

此外，时间分辨布朗断层扫描技术被视为原子结构观察的革命性进步，超越了传统的“透射电子显微镜”（TEM）和低温TEM，后者在获得2017年诺贝尔化学奖方面至关重要。这项创新使研究人员能够分析纳米材料的三维结构在各种化学条件下（如施加电压或反应性溶液成分）如何随时间演变

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这项研究的结果有望更准确地了解影响下一代纳米材料性能的结构变化，包括金属、半导体和氧化物。此外，这项研究成功地观察到了铂纳米粒子（环保氢能应用的关键催化剂）的结构变化，为未来高性能催化剂的开发奠定了基础

Park教授强调，“时间分辨布朗断层扫描的发展延续了2017年诺贝尔奖获得者低温透射电子显微镜和我们2020年《科学》杂志封面特色液体透射电子显微镜创新的传统。这项新技术将为揭示氢燃料电池、二氧化碳和二氧化碳中的复杂反应机制做出重大贡献₂ 转化催化剂、锂离子电池和其他先进的能源材料，促进了优质材料的设计。

该论文的主要作者Sungsu Kang评论道：“我们的研究直接捕捉到了液体环境中纳米晶体的实时原子级结构变化。这一成就尤其重要，因为它成功地可视化了表面原子运动和纳米材料特有的新相的出现——这些现象很难用传统的光谱或电化学方法检测到。p