大自然显然喜欢对称。例如，看看你自己的手。但有时大自然会产生不对称的东西，原因并不总是很清楚。莱斯大学化学家马修琼斯和他的团队一直在寻找有关有用纳米粒子的这些问题的答案——现在似乎有了答案。

琼斯、第一作者兼博士后研究员孙木华和研究生程志华和陈伟银的一项新研究证明了粒子生长过程中对称性破坏如何可靠地形成金字塔形金四面体纳米晶体。

在对称破缺中，发展中系统的小波动决定了系统的命运。在这种情况下，它适用于从以对称原子晶格开始的纳米级种子晶体的生长。

莱斯大学的研究人员展示了如何在结晶过程中平衡热力学和动力学力，从而使颗粒向所需方向倾斜生长。他们的发现也为使用不对称纳米粒子作为独特超材料的构建块开辟了道路。

美国化学学会期刊ACS Nano 上的这项研究源于琼斯帕卡德奖学金支持的工作，该奖学金于 2018 年授予帮助他进行液体细胞透射电子显微镜 (TEM) 的研究。

琼斯和他的实验室开发的技术允许研究人员通过一个足够大的窗口观察液体中单个金属纳米粒子的形成，以允许电子通过。在一般使用中，透射电子显微镜在高真空下工作，并简单地蒸发暴露的液体。

研究人员指出，四面体形状的纳米粒子经常作为其他过程的副产品被发现，但在实验室中有意制造它们已被证明是一个挑战。

“如果一个粒子是单晶，它通常会继承晶格的对称性，”琼斯说。“而且晶体往往是高度对称的，比如立方体或菱形十二面体或八面体。但是有些人看到了这些奇怪的异常值，神秘地比母晶格具有更低的对称性。”

这项新研究是琼斯实验室首次展示液体细胞技术的效果。在他们观察时使含有配体和前体的流体流过细胞的能力使他们能够回到生长偏离的点并改变最终纳米颗粒产品的对称性。

关键似乎是金原子的生长速度和条件，在这种条件下，金原子倾向于将自己附着在粒子的尖端和边缘而不是热力学有利的表面上。

“现在我们能够筛选一系列条件，我们能够看到一端是动力学增长而另一端是平衡的光谱，”琼斯说。“动力学增长很快，突起增长非常快，而且控制得不是很好。在平衡状态下，增长很慢，系统会做它想做的事情，即保持对称性。

“但是液体细胞 TEM 允许我们动态改变一个变量并看到中间的行为，我们可以看到这种奇怪的对称性破坏和一个明确定义的四面体粒子出现。所以我们得出结论，这必须是两者之间的平衡平衡和动力学因素。”

琼斯说，理解基本平衡“应该可以推广到各种其他条件”。

他说，这一发现还确立了液体细胞 TEM 作为观察和分析动态化学过程的宝贵工具，有可能消除生物医学、催化或纳米光子学粒子合成过程中的大量试验和错误。

“没有什么比能够亲眼目睹整个事情发生的了，”他说。“这就是这项技术的作用。你不必向某物发射光子，然后必须进行大量分析来解释结果。你只需观察过程。眼见为实。”