納米合成領域，至始至終貫穿著兩條主線：一條是關于生長機理，一條是關于宏量制備。經過十年的黃金時代，納米合成領域百花齊放。然而，即便如此，這兩個主要任務卻并沒有很好的完成。如今，作為一個老課題，納米合成和形貌控制已經門庭冷落，少有問津。今天，我們要講的，就是在這個老課題中，發現關于五重孿晶的新的生長機理。當兩個晶體共用一個晶面，并以某種確定的對稱性生長時，就會出現孿晶。早在近200年前，G. Rose等就發現了五重孿晶結構，孿晶材料在自然界和人工合成材料中普遍存在，礦石、金屬、陶瓷等等。但是，其生長機理始終是一個謎。隨后的200年來，機理研究持續不斷，由于無法在原子尺度直接觀測生長過程，導致生長機理的研究并無定論。五重孿晶的應力可以增加納米線的楊氏模量，多重孿晶銅納米線表現出優異的CO2還原制甲醇性能，如此種種，不一而足。進一步深入理解其機理，有利于優化普遍存在的孿晶材料的結構及其在晶體生長、生物醫學、光學、和催化等領域的應用。2020年1月3日，美國太平洋西北國家實驗室Dongsheng Li課題組及其合作者在Science發表論文，報道了他們通過原位透射電鏡和分子動力學模擬手段，關于五重孿晶生長機理的新發現。研究發現，在Au、Pt和Pd納米顆粒生長過程中，在3 nm左右的納米晶重復性的定向富集（oriented attachment，OA）過程中，會不停發生晶界形成和消失的行為，并形成應變為零的特殊孿晶。具體來說，五重孿晶的形成主要有兩條路徑：1）原子表面擴散，成核再生長路徑：在OA過程中，如果生長表面的凹面曲率半徑較小（~94 °）時，OA過程失去平衡，會產生大量的應力，并通過原子表面擴散到曲面，使表面能最小以達到熱力學穩定。這個時候，就會形成晶格變形和高能晶界。為了釋放這種高能應變，就需要在三個連續的{111}面上滑移形成一個小的孿晶。這樣既不需要在周邊的晶格中產生額外應變，也不需要很高的能量，凈應變為零。這種孿生結構的連續成核和生長最終釋放應變，并形成五重孿晶的結構。2）部分位錯滑移路徑：在OA過程中，如果生長表面的凹面曲率半徑較大（~150 °）時，晶格變形明顯減少。只需要少層{111}面的部分位錯滑移就能形成不對稱五重孿晶。進一步的滑移將形成更大的界面，并在晶格中產生額外的應變能。總之，這項研究又一次革新了我們對于晶體生長的認識。真理遠不止于此，一個課題不會因為太老而暗淡無光，相反，在老課題中，也有很多閃光點留待我們去探索。MiaoSong et al. Oriented attachment induces fivefold twins by forming anddecomposing high-energy grain boundaries. Science 2020, 367, 40-45.https://science.sciencemag.org/content/367/6473/40
