对于纳米材料来说，将几种不同的组分可控地汇聚在同一个纳米颗粒上一直是一个难题。这个课题的难点在于：（1）精准可控的合成方法难以实现，或者方法对于多组分中的某些组分不具有普适性；（2）产量受制于制备合成方法，无法实现规模化生产，难以实际利用。除此以外，有一部分真正合成出的理想材料又受限于表征设备，无法准确展现合成的效果。

近日（2020年1月24日），Science 期刊发表了来自美国宾州州立大学Raymond Schaak 课题组的文章Rational Construction of a Scalable Heterostructured Nanorod Megalibrary。在这篇文章中，作者们以硫化铜（roxbyite copper sulfide，Cu_1.8S）为模板，使用了阳离子交换手段，基于不同材料晶格结构和界面反应活性的区别实现了一系列异质结构纳米棒的可控合成。这一系列异质结构纳米棒的成分面分析表征用到了布鲁克的能谱仪设备。作者们推算，使用这种合成方法，可以合成多达65, 000种不同成分组成的纳米棒异质结构材料，构建一个超级博物馆。

上图展现了合成的具体思路，先构建Cu_1.8S G-1（Generation 1的简写，寓意第一代，G-2以此类推）材料。之后通过阳离子交换方法逐渐替换G-1中的Cu⁺。替换过程可以选择的阳离子包括Zn²⁺, In³⁺, Ga³⁺, Co²⁺和Cd²⁺。上图B中展示了从G-1到G-6材料变化的全过程。

上图B中提供的真实元素成分变化的情况来源于能谱面分析技术，STEM-EDS信号分别来自Cu K_α (红), Zn K_α (绿), In L_α (黄), Ga K_α (浅蓝), Co K_α (紫), and Cd L_α (深蓝)。经过能谱仪表征，我们可以发现，不同的阳离子替换进G-1会因为界面效应而产生不同的结构，有的仅倾向于延短轴水平替换，比如：Zn²⁺和In³⁺；有的不光倾向于沿短轴水平方向替换，还沿着与长轴有40度夹角的方向替换，比如：Ga³⁺和Co²⁺；而Cd²⁺只会沿着G-1材料长轴方向替换。这背后的原因就是下图M中不同金属硫化物晶格结构内部的情况，在晶格匹配的情况下，晶界可以达成一种稳定的状态，这也为异质结构纳米棒的合成提供了可能性。

之后，作者们具体展示了这种方法全方位的可控合成能力。在第一步加入Zn²⁺时，可以根据不同反应条件(上图第二行)选择从头部替换，中间替换以及两端替换形成3种G-2。以此类推，从G-3到G-8材料，可以精准可控合成的材料数目从12涨到了12, 288种。然而真正会产生多少种不同的材料取决于“不同材料”的定义和第一步选择的用于替换的离子。所以根据作者提出的定义，考虑到不同的G-2最终可以合成的不同异质结构纳米棒的总数为65, 520 种。这些材料的所有成分表征全都是基于布鲁克设备。

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