ACS Nano|具有靶散射图案的纳米颗粒自主合成

具有特定原子结构的受控合成材料支撑技术进步，但仍依赖迭代和反复试验的方法。纳米颗粒（NPs）的原子排列决定了其涌现性质，1^–5 由于参数众多，合成尤其具有挑战性。在这里，我们引入了一种自主方法，通过散射图样明确针对原子尺度结构。我们的方法通过将实时实验全散射（TS）和配对分布函数（PDF）数据与模拟靶图样匹配，自主设计合成协议，无需内嵌合成知识。我们在同步辐射上通过靶向两种结构截然不同的金 NP 散射图样来展示这一能力：5 纳米的十面体散射和 10 纳米的面心立方结构。最终，指定靶散射模式并自主接近实验复现的合成方案，可能实现按需、基于原子结构的材料设计。因此，ScatterLab 为自主、针对原子结构的合成提供了一个可通用的蓝图，适用于不同系统和应用。

该研究以题为“Autonomous Synthesis of Nanoparticles with Target Scattering Patterns”发表在ACS Nano上。

~5 nm十面体金纳米颗粒的自动合成
（A）利用CrystalMaker⁵⁰可视化的~5 nm（4.9 × 4.9 × 4.3 nm）目标十面体金纳米颗粒的三维示意图。
（B）基于十面体结构，采用DebyeCalculator⁴⁴模拟得到的倒易空间目标散射图案F(Q)和实空间目标散射图案G(r)。
（C）每次实验的目标值。蓝色阴影区域表示前24次采用随机选择合成参数的实验，橙色阴影区域表示使用~5 nm十面体目标图案的贝叶斯优化实验。
（D）选取的实验散射图案与模拟的~5 nm十面体目标数据叠加显示。灰色竖线突出未反应前驱体和溶剂的信号贡献。
（E）在与第41号实验相同条件下，对15分钟内采集的实验F(Q)和G(r)数据进行~5 nm十面体目标结构的组合精修。

总结

丹麦技术大学与MAX IV同步辐射团队合作，开发了一套名为ScatterLab的自主实验平台，能根据预设的散射图案自动合成金纳米颗粒。他们先用计算机模拟出两种目标结构——约5纳米的十面体和10纳米的球形面心立方金纳米颗粒，然后将对应的散射图案（包括倒易空间的F(Q)和实空间的G(r)）作为优化目标。ScatterLab会随机探索24组合成参数（水、甘油、乙醇、氯金酸、氢氧化钠、柠檬酸钠的用量，加料速度，光照强度，搅拌速度等），然后用贝叶斯优化算法不断迭代，让实际测得的散射图案逐步逼近目标图案。实验在MAX IV同步辐射的DanMAX线站进行，每个样品只测一分钟，一个完整循环约17分钟。

最终，第41号实验的散射信号与5纳米十面体目标高度吻合；切换到10纳米面心立方目标后，第56号实验也成功匹配，精修得到的颗粒尺寸约为7.5纳米（受限于机时未能进一步优化）。有趣的是，ScatterLab自动排除了乙醇，偏爱中等强度的UV-B和UV-C光照以及约0.3 mL/s的缓慢加金速度，并且能在3.5 mM的高浓度下稳定合成——远超常规的1 mM上限。这套模块化硬件成本仅约2750欧元，代码和数据均已开源。

参考文献：