揭开缺陷纳米粒子的3D晶体秘密

纳米材料是现代技术的未来。从为电池供电到改善清洁能源系统和高效催化剂，纳米材料无处不在。它们的独特性质往往源于其原子的精确排列。

但是，尽管它们很重要，但这些材料的最小构建块往往被隐藏起来，这是分析的一个主要局限性，尤其是当这些材料太敏感而无法承受传统成像中使用的强电子束时。

克服这一障碍，日本高级科学技术研究所（JAIST）的一组研究人员现在提出了一种突破性的方法，该方法有望在不损害结构的情况下进行详细分析。

通过将高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）与数据驱动的晶格相关性分析相结合，该团队成功地绘制了羟基氧化钛纳米粒子的三维原子结构，这是一类因其在能源设备和先进催化剂中的应用而备受珍视的材料。

该研究由JAIST的Yoshifumi Oshima教授及其团队领导，其中包括高级讲师Kohei Aso、高级技术专家Koichi Higashimine、JAIST前高级讲师Masanobu Miyata和日本新日铁的Hiroshi Kamio博士。他们的研究结果于2025年4月28日发表在《通讯化学》杂志上。

这项新技术最引人注目的方面之一是它在成像过程中如何保护脆弱的纳米材料。传统的电子显微镜在很大程度上依赖于强电子束来生成详细的图像。这些光束通常会在分析之前损坏敏感样品（如羟基氧化钛）。

但是，与传统技术相比，新方法通过将电子暴露减少20到500倍来解决这个问题，在没有束诱导损伤风险的情况下提供了更高的分辨率。

高级讲师Aso解释说：“控制金属羟基氧化物的晶体结构是其应用的关键，但这往往受到分析这些光束敏感纳米材料的困难的限制。”。“但我们的方法为结构分析提供了一种更安全的方法，使研究人员能够有效地理解和控制它们的性质。”

使用这种方法，研究小组对偏钛酸（H2TiO3）有了一个有趣的发现，偏钛酸是一种钛基材料，是各种催化和能源应用中的关键成分。

分析揭示了偏钛酸的交替层状结构，由二氧化钛（TiO2）和氢氧化钛（Ti（OH）4）组成。发现这种结构与锐钛矿非常相似，锐钛矿是一种具有独特光学和电子性质的二氧化钛（TiO2）天然矿物。Aso高级讲师说：“偏钛酸和锐钛矿之间惊人的结构相似性生动地解释了为什么偏钛酸是合成TiO2锐钛矿相的广泛青睐的前体。”。

这一发现为设计具有增强功能的材料以用于氢氧化钛的实际应用开辟了可能性，例如提高催化剂中化学反应的效率或提高电池和传感器中材料的性能。

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虽然氢氧化钛的结构分析具有巨大的潜力，但这项研究的意义远远超出了单一材料。目前，在当今的尖端技术中使用了许多先进的纳米材料，它们同样容易受到电子束损伤。JAIST开发的方法为研究这些材料以改善清洁能源、电子和可持续技术的结果和创新奠定了基础。

除了扩展实验研究的可能性外，这项研究还与计算研究在材料科学中日益重要的作用相一致。展望未来，研究人员设想他们的晶格相关性分析将成为这个数据驱动的未来的重要工具，实现更智能的材料设计和高性能设备的开发。p