科學家建立納米材料數據庫，促進功能性納米材料可控制備和高通量研發

一直以來，人們從未停止對新材料的開拓。從石器時代、青銅時代、鐵器時代到現代社會的單晶硅芯片，新材料不斷改善着人類的生活和生產方式。

當從宏觀尺寸縮小到微觀的納米至亞納米尺度時，材料的物理和化學性質也會隨之發生顯著的改變。

單一組分材料的功能往往容易受限，而在微觀尺度下集成多元素納米材料體系則優勢明顯。

其通過不同元素的協同作用，可在此基礎上表現出全新的功能，進而在諸多領域具備應用潛力，例如催化、能源轉化、表面等離激元光學、磁學、生物成像等。

復旦大學材料科學系青年研究員陳鵬程的主要研究方向是，微觀尺度多元素體系、有機-無機雜化體系、納米材料基因組學和催化等。

他嘗試建立一種普適的合成方法，通過建立納米材料數據庫，讓微觀多元材料的高通量製備成爲可能。

憑藉開發納米材料數據庫的高通量製備和研究新方法，爲納米材料基因組學的探索提供變革性技術，推動納米材料應用於催化、能源轉化等領域，陳鵬程成爲 2023 年度《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創新 35 人”中國入選者之一。

他出生在浙江溫州，父母常年在浙江義烏經商，從小受到企業家勇於探索創新、堅韌執着、誠信合作等精神的薰陶，也潛移默化地影響了他對科學問題的思考和處理方式。

在浙江大學完成本科和碩士階段的學習後，陳鵬程前往美國西北大學材料科學與工程系讀博，導師是查德·A·米爾金（Chad A. Mirkin）教授，研究方向爲多元素納米材料。

隨後，在美國加州大學伯克利分校化學系從事博士後研究，合作導師爲楊培東教授，研究方向聚焦於納米材料中元素的合金化和相分離。

2022 年 10 月，他回國加入復旦大學，正式走上獨立的科研道路。目前，陳鵬程的研究小組主要關注兩個方向。

第一，深入探索微觀尺度多元體系的熱力學、動力學、構效關係等關鍵科學問題，這些基礎研究有望填補領域內的空白，爲低維多元納米材料在衆多方向的應用奠定理論基石。

第二，研發適用於清潔能源轉化、污染物降解等用途的新型多元納米材料，助力解決全球日益緊迫的能源和環境等問題。

首次實現多元納米材料數據庫的高通量製備和研究

推動材料學創新的核心驅動力是材料基因組學，也就是人們對材料組成、結構和性質之間關係的理解。

在宏觀尺度上，目前研究者們對於多元素材料組成、結構和性質之間關係的認知已相當全面，但在納米材料領域的類似基因組學研究卻相對匱乏。

一直以來，低維多元納米材料往往受限於逐一合成新體系、再逐一表徵的範式，整體研究效率較低。

該領域的關鍵研究挑戰是，材料尺寸、元素種類、元素比例等參數空間過於龐大，並且製備手段有限，其往往侷限在三元以下體系。

如果把這些參數做排列組合，可以簡單地勾勒出上億種新材料。但是，這些新材料尚未被人類所探索，而且缺乏高效的合成手段。

圖丨陳鵬程在中國科技青年論壇（來源：DeepTech）

陳鵬程在掃描探針納米印刷術以及納米反應器調控合成策略基礎上，開發出一種多元素納米粒子合成方法。

該方法可以在釐米級襯底上，製備含有上千萬顆具有不同參數的納米粒子數據庫，具有普適性且調控精度高。

因而，首次能夠進行多元素納米材料數據庫的高通量製備和研究，並拓展了多元素體系在微觀尺度下熱力學行爲理解的邊界。

該方法基於掃描探針印刷術製備具有金屬離子的高分子納米液滴反應器，在納米反應器的空間限域作用下，在極小尺度範圍內束縛多種元素，使製備多元素納米粒子成爲可能。

將金（Au）、銀（Ag）、銅（Cu）、鈷（Co）、鎳（Ni）五元體系作模型，通過排列組合的方式，成功合成由這五種金屬組成的全部納米粒子 [1]。

“組合中的 16 種納米粒子，是在該研究之前從未製造過的新材料。”陳鵬程說。

圖丨（A）結合平行掃描探針印刷術和納米反應器合成策略，製備納米粒子巨型數據庫用於功能納米材料的高通量篩選；（B）納米粒子多元化組合陣列；（C）複雜異質結多元納米粒子庫的構建和分相研究（來源：陳鵬程）

在該技術優勢基礎上，陳鵬程和團隊建立了包括七種元素的非中心對稱異質結納米粒子數據庫。

基於對七種元素進行排列組合，系統性地探索並結合理論模擬，在單個粒子中成功構築了一至六種不同類型的熱力學穩定相界面，爲創制具有複雜異質結構的納米材料提供了理論指導 [2]。

陳鵬程表示：“我們爲納米材料基因組學的研究提供了非常重要的平臺，有利於進一步探索該領域的新知識，併成爲快速研發和高通量篩選功能性納米材料的新技術。”

據瞭解，通過和高通量的表徵手段相結合，目前已經將該納米材料庫應用於清潔能源轉化、生物成像、電催化等領域的高通量研究。

基於在納米材料高通量實驗方面的成果，目前米爾金教授課題組已牽頭成立了一家初創公司 Mattiq，以推進可持續發展領域中關鍵材料的快速高效研發。

微觀尺度下，宏觀相圖失靈了？

複合材料因包含多種元素而具備功能性，在廣泛的領域中顯示出應用價值。其中，控制各元素在材料中的分佈，對材料的整體結構以及性質都至關重要。

通常來說，科學家在研究宏觀材料時，會基於實驗或模擬獲得相圖，進而在此基礎上對材料結構、元素分佈等進行設計。

在理論層面，此前有研究者提出，當把材料的尺寸縮小至納米、亞納米等微觀尺度時，宏觀相圖有可能不再適用。

如果該理論成立，那麼，在微觀尺度材料中，將不互溶的兩種元素混在一起，會像油和水那樣呈分離狀，還是像水和醇那樣溶到一起呢？

帶着這個問題，陳鵬程與課題組開啓了這項研究。然而，系統合成材料以及材料的表徵都充滿了挑戰。

他發現，雖然此前領域內有一定的認知，但理論層面的相關認知是碎片化的，並沒有形成系統化的見解。

而在實驗研究方面，也缺乏系統的數據，來揭示納米材料尺寸如何影響元素間熱力學混溶行爲。

陳鵬程與團隊在實驗層面，基於二元模型體系，對不同組成、不同尺寸（1-4nm）的納米顆粒中，不互溶元素的混溶性演變過程進行了深入探索。

他表示：“我們系統性地展示了不互溶元素金（Au）和銠（Rh），在微觀材料中的相容性轉變過程。其中，它們在直徑爲 2nm 以下的納米粒子中變得完全可混溶。”

圖丨在納米和團簇尺度下，縮小金和銠之間的混溶間隙（來源：Nature Nanotechnology）

根據定量電子顯微學分析和理論計算數據，納米材料從不混溶到混溶的轉變，與三個關鍵因素密切相關，分別是：納米粒子直徑、組成成分以及可能存在的表面吸附物。

該研究首次從實驗的角度證明了從宏觀到微觀尺度，多元材料體系中的元素相容性會發生逆轉的原因，並結合理論模擬揭示出影響元素相容性的因素。通過探索材料結構性質之間的關係，爲設計新材料提供了指導思路。

陳鵬程表示：“該研究是微觀多元體系基礎研究方面的重要突破之一，有助於設計具有特定結構的多元納米材料，相當於給領域打開了一扇大門，並展示了微觀世界更多的可能性。”

日前，相關論文以《不混溶元素在納米尺度上完全混溶》（Complete miscibility of immiscible elements at the nanometre scale）爲題發在 Nature Nanotechnology[3]。

陳鵬程是第一作者，加州大學伯克利分校楊培東教授擔任通訊作者。

圖丨相關論文（來源：Nature Nanotechnology）

這種高通量的製備方法未來有望與大數據或 AI 輔助材料設計相結合，建立一整套高通量的設計、製備到性質表徵的研究新範式，對促進微觀多元材料的可控制備、快速研發和應用轉化具有重要的意義。

例如，基於材料尺寸、元素種類、熱力學參數、晶格結構以及相應的物理化學性質等，通過寬範圍內的大量實驗數據集對 AI 程序進行培訓，預測多元體系在納米至原子尺度下的各種性質。

“AI 和實驗是相輔相成、缺一不可的。目前，我們正在進行原始數據的積累，實驗的數據集需要非常可靠，尤其是數據集要有一定的離散度，未來 AI 預測纔會更準確。”陳鵬程說。

參考資料：

1.P. C. Chen, X. Liu, J. L. Hedrick, Z. Xie, S. Wang, Q. Y. Lin, M. C. Hersam, V. P. Dravid, C. A. Mirkin, Polyelemental Nanoparticle Libraries, Science 2016, 352, 1565-1569. https://doi.org/10.1126/science.aaf8402

2.P. C. Chen, M. Liu, J. S. Du, B. Meckes, S. Wang, H. Lin,V. P. Dravid, C. Wolverton, C. A. Mirkin, Interface and Heterostructure Design in Polyelemental Nanoparticles, Science 2019, 363, 959-964. https://doi.org/10.1126/science.aav4302

3.P. C. Chen, M. Gao, C. A. McCandler, C. Song, J. Jin, Y. Yang, A. L. Maulana, K. A. Persson, P. Yang, Complete miscibility of immiscible elements at the nanometre scale. Nature Nanotechnology 2024, 19, 775–781. https://doi.org/10.1038/s41565-024-01626-0

運營/排版：何晨龍

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