Angew. Chem. :X光/中子技术在可溶性无机纳米材料的多时空研究

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近年来,纳米技术的蓬勃发展催生了系列结构多样、功能丰富的无机纳米材料。可溶性无机纳米材料(SoINs)因其在不同介质(小分子或聚合物)中具备良好的分散性而显著区别于其他的无机纳米材料,可分散的特点也为其可控合成、溶液加工及规模化制备奠定了坚实的基础。如何在时空双维度清晰表征物质的微观结构在科学研究中一直处于核心地位,这对于理解材料的宏观性能至关重要。然而,SoINs展现出跨多个时空间尺度的复杂层级结构特征,加之长程有序结构的缺失使得传统的衍射表征方法帮助十分有限。



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图1. 不同X光和中子散射技术的q范围及其对应的空间尺度

在种类繁多的X光/中子技术中,散射及吸收谱学技术是两类最具代表性且应用最为广泛的表征方法。散射表征以光为媒介,将三维的物质结构转换为倒空间的二维散射强度分布,值得注意的是由此方法测得的是统计平均的结构信息。联合多种散射模式,可以在介观尺度探测SoINs的复杂结构信息。辅助以吸收谱表征手段,能够在原子尺度明晰SoINs的局部几何及更为精细的电子结构(图1)。与此同时,引入衬度互补的X-光散射与中子散射,能够提供更为全面的结构信息。当前,现代同步辐射、中子源等大科学装置足以提供高亮度、高通量的入射光源,这为实时在线的原位结构表征提供了极大的便利。所带来的超高时空间分辨率的优势,亦是传统表征方法所无法比拟的。

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图2. 基于X光/中子谱学技术的SoINs材料时空双维度研究

本文系统梳理了近年来X光/中子技术在SoINs的时空研究方面的相关进展。作者首先简明扼要地介绍了散射/吸收谱学技术的基本原理、并对实验操作、数据处理规范等给出了一定参考意见。而后,聚焦于结构明确的分子簇及其杂化模型体系(主要以多金属氧酸盐、金属有机多面体为代表),系统回顾了利用X光与中子表征方法表征此类模型体系的静态结构以及实时追踪其动态结构演变过程的经典案例(图2)。最后,作者探讨了这一领域所面临的困难与挑战,并对未来的发展方向提出了理性的看法和展望。

文信息

Spatiotemporal Studies of Soluble Inorganic Nanostructures with X‐rays and Neutrons

Jia-Fu Yin, Lucia Amidani, Jiadong Chen, Mu Li, Binghui Xue, Yuyan Lai, Kristina Kvashnina*, May Nyman*, Panchao Yin*

本文的第一作者为华南理工大学博士后尹家福,通讯作者为欧洲同步辐射Kristina Kvashnina教授、美国俄勒冈州立大学May Nyman教授和华南理工大学殷盼超教授。


本工作得到了国家自然科学基金重点项目、重大研究计划培育项目以及博士后创新人才支持计划等基金项目的支持。


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202310953




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