對(duì)于納米材料來說，將幾種不同的組分可控地匯聚在同一個(gè)納米顆粒上一直是一個(gè)難題。這個(gè)課題的難點(diǎn)在于：（1）精準(zhǔn)可控的合成方法難以實(shí)現(xiàn)，或者方法對(duì)于多組分中的某些組分不具有普適性；（2）產(chǎn)量受制于制備合成方法，無法實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，難以實(shí)際利用。除此以外，有一部分真正合成出的理想材料又受限于表征設(shè)備，無法準(zhǔn)確展現(xiàn)合成的效果。

近日（2020年1月24日），Science 期刊發(fā)表了來自美國(guó)賓州州立大學(xué)Raymond Schaak 課題組的文章Rational Construction of a Scalable Heterostructured Nanorod Megalibrary。在這篇文章中，作者們以硫化銅（roxbyite copper sulfide，Cu_1.8S）為模板，使用了陽離子交換手段，基于不同材料晶格結(jié)構(gòu)和界面反應(yīng)活性的區(qū)別實(shí)現(xiàn)了一系列異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米棒的可控合成。這一系列異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米棒的成分面分析表征用到了布魯克的能譜儀設(shè)備。作者們推算，使用這種合成方法，可以合成多達(dá)65, 000種不同成分組成的納米棒異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，構(gòu)建一個(gè)超級(jí)博物館。

上圖展現(xiàn)了合成的具體思路，先構(gòu)建Cu_1.8S G-1（Generation 1的簡(jiǎn)寫，寓意第一代，G-2以此類推）材料。之后通過陽離子交換方法逐漸替換G-1中的Cu⁺。替換過程可以選擇的陽離子包括Zn²⁺, In³⁺, Ga³⁺, Co²⁺和Cd²⁺。上圖B中展示了從G-1到G-6材料變化的全過程。

上圖B中提供的真實(shí)元素成分變化的情況來源于能譜面分析技術(shù)，STEM-EDS信號(hào)分別來自Cu K_α (紅), Zn K_α (綠), In L_α (黃), Ga K_α (淺藍(lán)), Co K_α (紫), and Cd L_α (深藍(lán))。經(jīng)過能譜儀表征，我們可以發(fā)現(xiàn)，不同的陽離子替換進(jìn)G-1會(huì)因?yàn)榻缑嫘?yīng)而產(chǎn)生不同的結(jié)構(gòu)，有的僅傾向于延短軸水平替換，比如：Zn²⁺和In³⁺；有的不光傾向于沿短軸水平方向替換，還沿著與長(zhǎng)軸有40度夾角的方向替換，比如：Ga³⁺和Co²⁺；而Cd²⁺只會(huì)沿著G-1材料長(zhǎng)軸方向替換。這背后的原因就是下圖M中不同金屬硫化物晶格結(jié)構(gòu)內(nèi)部的情況，在晶格匹配的情況下，晶界可以達(dá)成一種穩(wěn)定的狀態(tài)，這也為異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米棒的合成提供了可能性。

之后，作者們具體展示了這種方法全方位的可控合成能力。在第一步加入Zn²⁺時(shí)，可以根據(jù)不同反應(yīng)條件(上圖第二行)選擇從頭部替換，中間替換以及兩端替換形成3種G-2。以此類推，從G-3到G-8材料，可以精準(zhǔn)可控合成的材料數(shù)目從12漲到了12, 288種。然而真正會(huì)產(chǎn)生多少種不同的材料取決于“不同材料”的定義和第一步選擇的用于替換的離子。所以根據(jù)作者提出的定義，考慮到不同的G-2最終可以合成的不同異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米棒的總數(shù)為65, 520 種。這些材料的所有成分表征全都是基于布魯克設(shè)備。

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