WILEY开放获取（OA）旗舰期刊Small Science近日发表了来自韩国首尔大学JungwonPark教授的关于纳米粒子的电子显微学三维结构测定的展望文章。先进表征技术的发展对纳米科学研究有着重大的影响。目前表征纳米颗粒最常用的手段包括高分辨透射电镜和球差校正透射电镜，而这些表征技术很难分辨纳米粒子原子结构上的差异。Park教授和他的合作者们最近在Science上报道了使用原子分辨率3D液体池透射电镜（liquid-cell transmissionelectron microscopy）技术来解析溶液中单个胶体铂纳米晶体的结构。该方法可用来分析纳米晶体的单晶度、畸变、位错和位错面附近的应变等性质，在纳米材料表征领域引起了极大关注。在Small Science最新发表的文章中Park教授介绍了目前三维原子结构表征技术的发展现状并且展望了其将来应用于定向合成和计算化学。请点击文后阅读全文了解详细内容。透射电子显微镜(TEM)是分析单个纳米粒子结构最广泛使用的方法之一。此外，高分辨率TEM分析揭示了纳米粒子的原子位置。基于TEM的分析方法，包括明/暗场TEM、扫描透射TEM (STEM)、电子衍射和全息术，已经达到了原子分辨率，但这些方法主要应用于材料结构的二维面扫。冷冻电镜(EM)已成为一种重建生物样品三维结构的标准方法，其基础是利用玻璃化冷冻将标本的结构固定住，进而进行电子显微学的表征。
尽管低温电子显微学在结构生物学领域取得了巨大成功，而且该方法的开创者们也在2018年获颁诺贝尔化学奖——但该技术仅限于分析均一的粒子的三维结构。在异质结构中，由于需要对不相同粒子的图像进行密集分类，从而阻碍了重建过程。在低温透射电镜中，一个蛋白质的三维结构是通过成千上万张透射电镜图像重建出来的，这些图像是由成千上万个单独固定的蛋白质分子所获得的，而这些分子的投影角度是随机分布的。假设所有的蛋白质分子都具有相同的结构，那么这些TEM图像可以被重建成一个结构。基于低温透射电镜的单粒子重构技术可以应用于无机纳米粒子，但其应用仅限于具有相同晶体结构的纳米粒子体系。例如，均匀的纳米粒子，如金纳米团簇(Au68)，可以通过基于低温透射电镜的单粒子重建。考虑到大多数无机纳米颗粒具有非均质结构，不同纳米颗粒获得的透射电镜图像是相互独立的。因此，需要开发独立重建不同纳米颗粒三维结构的方法。为了获得纳米颗粒的三维结构，需要大量单个纳米颗粒不同投影角度的TEM图像。
图一 关于三维电子断层技术和布朗单粒子重构的区别，成像步骤（a）和三维重构步骤（b）
在今年的早些时候，首尔大学的Jungwon Park教授报道了利用配有液体池的TEM重构了铂纳米晶体的三维结构，并比较了多粒子的结构差异和内外壳的不同,以及含有扩展缺陷的纳米粒子和其内部应力的差异。上述个体差异都会对单个粒子的物理化学性质产生影响。在Small Science发表的这篇观点文章中，Jungwon Park教授介绍了两种三维结构的重构方法：三维电子层析成像和布朗单粒子重构。两种方法都是利用不同投影角度的纳米粒子的TEM或STEM图像，在倒易空间中收集纳米粒子的相位信息，重建纳米粒子的三维结构。所重建的金属纳米粒子的三维分布图是高分辨率的，便于测定它们的原子坐标。在三维原子图上可以观察到了晶界、位错和晶格膨胀。材料结构研究的最终目标是根据结构去理解其化学和物理性质。为了从根本上理解结构与特性之间的相关性，对于统计上大量的纳米粒子，3D结构分析必须是可重复且可再现的。目前基于TEM的3D结构分析仅考虑了少数纳米颗粒的原子结构。提高数据采集速率，数据处理速度和3D重建速度是需要大量的进一步工作。通过结合两种或更多种技术来补偿一种技术的局限性，例如纳米束电子衍射等其他技术，可能是解决此类问题的另一项突破。随着3D重建方法学的进一步发展，单个纳米颗粒的结构确定不仅将改变材料科学，而且还将改变计算化学。目前，基于计算的纳米颗粒研究基于理论上估计的晶体结构。因此，从3D结构分析获得纳米粒子的精确3D原子位置可以直接应用于理论计算，这可能会提高那些计算的准确性。精确的基于3D重建的计算将有助于设计具有所需化学性质的功能纳米材料。相关论文发表在Small Science上。（DOI:10.1002/smsc.202000045）LPR：高压调控二维层状铟化硒纳米片中的晶体对称性
Small Methods: 剪切力辅助液相剥离二维黑磷纳米片用于低温钙钛矿太阳能电池
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