纳米粒子上的原子模板

《Precision Chemistry》：Atomic Stencils on Nanoparticles

原子级蚀刻技术实现纳米颗粒表面精准功能化，通过碘离子介导晶面选择性蚀刻形成动态模板，结合2-萘硫醇聚合实现预设晶面对应的功能区定向构筑。该技术突破传统随机修饰局限，成功制备出具有可控空间排列的纳米结构，可拓展至药物靶向递送、自适应催化及智能自组装等前沿领域。

　　

在纳米颗粒的表面区域实现原子级精确的空间控制是纳米科学中的一个重大挑战，这也是推动靶向药物输送、自适应催化和可编程自组装技术发展的关键。能够精确控制化学功能在纳米颗粒上的分布位置和方式，不仅决定了其局部反应性，还决定了影响其集体行为的方向力。然而，尽管在胶体合成和配体工程领域取得了数十年的进展，真正实现纳米尺度表面的确定性图案化仍然是一个未解之谜。

现在，陈倩（Qian Chen）及其同事在《自然》（Nature）杂志上提出了一种颠覆性的解决方案：原子模板法（atomic stencilling）。该方法利用碘离子介导的晶面选择性，以前所未有的精度塑造多功能纳米颗粒表面。(1) 与依赖随机配体交换的传统策略不同，他们的方法利用吸附在纳米颗粒表面的碘离子亚单层来化学遮蔽特定的金晶面，从而形成一个动态模板，引导聚合物（通过2-萘硫醇：2-NAT）仅沉积在未被遮蔽的区域，从而生成由晶体对称性直接决定的空间分布的纳米颗粒表面斑块。通过精确调节碘离子与2-NAT的比例，他们能够实现对斑块数量、大小和位置的可编程控制，并在五种不同的金纳米结构中实现近乎完美的重复性。对数百个纳米颗粒的统计分析证实，斑块始终被准确地沉积在预定的位置。这种结合了晶面选择性化学作用和原子级遮蔽技术的方法，将随机性转变为可设计性。例如，由于这些纳米颗粒的高度均匀性，它们能够通过斑块间的相互作用组装成扩展的、非紧密堆积的超晶格结构，而这长期以来一直是理论模拟的目标。这些超晶格具有可进一步设计的开放性，从而调控其光学和机械性能。

这项工作重新定义了用于确定性分子构造的精准化学方法。通过将晶体学选择性与聚合物化学相结合，作者为将功能理性编码到单个纳米颗粒上奠定了基础，有效地将它们转变为“可编程原子”，用于构建介观尺度的材料。能够以类似模板的精度在纳米颗粒表面“书写”化学功能，为构建层次有序的结构、响应性催化系统以及生物界面材料开辟了新的途径，在这些材料中，每一个原子、化学键和结构单元都能有目的地服务于特定的功能设计。