学术前沿
ACS Nano|具有靶散射图案的纳米颗粒自主合成
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详细介绍
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。
图1 ScatterLab的方法论：机器人合成、散射实验与贝叶斯优化。ScatterLab首先以Q空间和r空间中的目标散射图案作为优化目标，随后选择合成参数——化学试剂体积、金前驱体添加速度、发光二极管（LED）光照强度（白光、UV-B和UV-C，固定照射5分钟）以及混合速度——由MODEX执行。首先，将“空白”样品（不含金属前驱体，亦称背景）转移至X射线束下，进行一分钟测量。接着，以相同方式测量对应的样品。自动触发器启动数据归约、累加、背景扣除及后处理，从而获得背景扣除后的散射强度I(Q)、总散射结构函数S(Q)、约化总散射函数F(Q)以及约化原子对分布函数G(r)。然后，计算处理后的散射图案与目标散射图案之间的差异作为目标值。贝叶斯优化更新代理模型，构建采集函数，并提议下一次实验，从而优化合成参数。所有合成元数据、散射图案及贝叶斯优化结果均实时记录于外部MongoDB数据库中。
图2
~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：
DOI: 10.1021/acsnano.5c15488
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