作者特蕾莎·杜克，劳伦斯·伯克利国家实验室 三维氧化钴纳米粒子生长成二维纳米片的示意图
学分:郑海梅/伯克利实验室 自2004年被发现以来，石墨烯——一种具有惊人强度和电性能的原子级薄材料——激励着世界各地的科学家设计新的二维材料，以满足从可再生能源和催化剂到微电子的广泛应用
虽然二维结构是在石墨烯等材料中自然形成的，但一些科学家试图用被称为过渡金属氧化物的半导体制造二维材料。过渡金属氧化物是由氧原子与钴等过渡金属结合而成的化合物
虽然科学家们早就知道如何制造过渡金属氧化物的纳米粒子，但没有人找到一种可控的方法将这些三维纳米粒子生长成纳米片，这是一种只有几个原子厚的二维薄材料
现在，由美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室(伯克利实验室)领导的一个科学家小组已经获得了对三维过渡金属氧化物纳米粒子在二维生长中的天然“优势”的宝贵见解
他们的发现发表在《自然材料》杂志上
使用伯克利实验室分子铸造厂的液相透射电子显微镜进行实验，合著者郑海梅和她的团队直接观察了钴氧化物纳米粒子在溶液中的动态生长，以及它们随后转变成平面二维纳米片
领导这项研究的伯克利实验室材料科学部的高级研究员、科学家郑说:“这种从三维到二维的转变就像鸡蛋白在锅里煎炸一样。”
郑解释说，在以前的研究中，科学家们假设只有两个主要因素——纳米粒子体积的体积能量和纳米粒子的表面能——会驱动纳米粒子生长成三维形状
溶液中的氧化钴纳米粒子转变成平坦的2D纳米片；视频播放速度比实时速度快15倍
在伯克利实验室的分子铸造厂用液相透射电子显微镜观察到的3D到2D生长
学分:郑海梅/伯克利实验室 新能源出现了 但是由合著者王琳旺领导的计算揭示了另一种以前被忽视的能量——边缘能量
在多面的矩形纳米粒子(如过渡金属氧化物纳米粒子)中，小面的边缘也为纳米粒子的生长和形状贡献能量(在本例中为正能量)
但是为了使过渡金属氧化物纳米粒子生长成二维纳米片，表面能必须是负的
“正是这两种能量的平衡，一个负的一个正的，决定了形状的变化，”王说
对于较小的纳米粒子，正边缘能量获胜，这导致紧凑的三维形状
但是当氧化钴纳米颗粒变大时，它们最终会达到一个临界点，在这个临界点上负表面能获胜，从而形成二维纳米片，他解释说
王是伯克利实验室材料科学部的高级研究员，他在伯克利实验室的国家能源研究科学计算中心(NERSC)的超级计算机上完成了这项研究的计算
郑补充说，揭示这些生长途径，包括3-D到2-D的转变，为流线型设计外来新材料提供了新的机会，这些新材料是由不规则原子结构的化合物(如过渡金属氧化物)合成的，比石墨烯更难合成多层2-D器件
郑和她的团队得出结论，这项研究不可能用传统的电子显微镜进行
通过在分子铸造厂使用液相透射电子显微镜，研究人员能够通过将液体样品封装在专门设计的液体池中来研究溶液中原子级薄材料的生长
细胞防止样品在电子显微镜的高真空中塌陷
第一作者杨娟说:“如果没有这种现场观察，就不可能知道这样的增长路径。”当时他是中国科技大学伯克利实验室的客座博士研究员
“这一发现可能会改变我们对未来催化和传感应用的表面增强材料的未来设计
" 图解说明从溶液中生长三维纳米粒子，以及三维纳米粒子转化为二维纳米片
学分:郑海梅/伯克利实验室 后续步骤 研究人员下一步计划将重点放在使用液体细胞透射电镜来生长更复杂的二维材料，如异质结构，这就像不同性质的层状材料的三明治
“就像建筑师受到古代巨型红杉生长方式的启发一样，材料科学家也受到启发，设计出越来越复杂的储能结构，”2009年在伯克利实验室开创了液流电池瞬变电磁法的郑说
“但它们为什么会那样生长呢？我们在伯克利实验室的优势在于，我们可以在原子水平上研究它们，实时观察它们的生长，并找出有助于设计更好材料的机制
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