纳米级自组装技术的发展使得纳米级复杂结构的形成成为可能。然而，自组装策略向自底向上纳米制造的发展受阻于在单组分水平上揭示这些结构的体积和元素灵敏度。

近日，美国哥伦比亚大学Oleg Gang等人利用纳米聚焦硬X射线、DNA可编程纳米粒子组装和纳米尺度无机模板技术，展示了复杂组织的纳米粒子和多材料框架的非破坏性三维成像。在尺寸为2微米的三维晶格中，确定了约10,000个具有7纳米分辨率的单个纳米粒子的位置，并确定了组装图案的排列和具有元素敏感性的结果的多材料框架。真实空间重构可以直接对晶格进行三维成像，揭示它们的缺陷和界面，并澄清晶格与组装图案之间的关系。

纳米材料的自组装是一种有吸引力的方法，可以在光子、催化和生物材料等领域创造三维纳米结构，而不受传统纳米制造方法的限制。纳米粒子组装的最新进展是通过调整粒子间的相互作用和纳米粒子的形状或构建定向粒子间键来实现的。虽然可以形成纳米粒子超晶格，但结合模式和结晶路径的复杂性会导致亚稳态，这通常会混淆组装。这导致了区域的无序和不同的缺陷。在单粒子水平上以体积揭示成形结构的能力对于推进自我组装方法，创造完全工程的纳米材料至关重要。例如，理解组装结构和组装组织之间的关系，或者组装过程和缺陷类型之间的关系，需要能够在三维中揭示全局和局部结构的成像。随着形成连续(框架)和离散(粒子)组织以及用无机材料模板化它们的能力的增加，对纳米尺度三维可视化的需求也随之增加。

电子显微镜的发展允许聚合物和纳米粒子的直接三维纳米成像。然而，由于其对电子的高吸收，其在大规模组装中的应用具有挑战性。相比之下，硬X射线提供极好的穿透性，但X射线成像的分辨率有限。采用基于相干X射线衍射成像(CXDI)的层析成像技术，对80 nm分辨率的胶体晶体和15 nm分辨率的集成电路进行了可视化。然而，这些基于相位检索的方法缺乏元素灵敏度。相比之下，在扫描硬X射线显微镜(SHXM)中进行的纳米光束光栅扫描成像可以通过直接荧光成像和地貌重建同时提供元素和形态可视化，并有潜力超越光学局限性。此前，已经证明了相关的三维x射线显微镜分辨率在100 nm范围内。

为了对超晶格进行逐粒子分析，首先使用DNA四角体框架组装了一个面心立方(fcc)晶格，其顶点与接枝到20nm金纳米颗粒(AuNPs)的单链DNA具有DNA互补性。为了使DNA组装基序可视化，使用一对具有互补DNA编码顶点的四面体来形成菱形晶格，其中每个15nm的AuNP位于四面体中心。作为组合结构进行测量，显示出有序和无序聚集的混合物。样品(直径约2mm)安装在钨针尖上，用聚焦离子束(FIB)切割样品，同时保留表面特征。这个样本几何允许从一个完整的3D层析图的全角度收集图像。使用12keV的单色X射线束，由一组交叉多层Laue透镜聚焦，产生了用于SHXM研究的13nm纳米束和专门设计的具有高刚度和热稳定性的显微镜。在每个投影下，都得到了荧光和远场衍射图像。后者用体表重建算法进行分析，既检索复值探头，又检索对象函数。对于获得的荧光光谱，进行了荧光峰拟合以去除背景和分离重叠峰，并进一步使用从体层分析中提取的探针函数对数据进行了细化。因此，在每个投影角度得到了元素图和电子密度图( 后者从复目标函数的相位看 )。通过 在ImageJ-Fiji-1.5和Tomviz1.9软件包进行层析成像重建，得到了~104个个体纳米颗粒坐标。为了增强三维网格的可视化，对纳米颗粒进行了分割并确定了其质心，并用相同的球代替纳米颗粒。可视化的结构使得能够识别格序和缺陷。

图1. 硬X射线纳米探针层析成像显示纳米颗粒晶格的三维组织.

显示了fcc组件在一个投影角度下具有代表性的图案重建和荧光成像结果。由于AuNPs的X射线吸收较弱，目标函数的振幅包含很多背景波动，但其相位很干净，用于电子密度图的层析重建。在同一投影处显示了在FIB加工过程中沉积的超晶格面，其外围有Ga离子。从相位生成的断层扫描重建的体积视图，反映了电子密度变化。这两个图像在显示有序和无序域是一致的。相变化归因于AuNPs、硅键、Pt和Ga，而Au荧光定位单个NPs的位置，消除了相位的模糊性。由于硅荧光信号微弱，硅柱无法重建。三维重建显示了两个晶粒和一个非晶态晶粒，以及各种缺陷。为了量化所获得的分辨率，在倒数空间中进行了分析，以确定信号降至噪声水平时的截止频率。测定了相位的半间距分辨率为7 nm × 7 nm × 9 nm，荧光分辨率为9 nm × 9 nm × 15 nm。这些估值与预期非常吻合，因为光学系统采用了5 mrad的数值孔径，相当于12 keV时10 nm的分辨率(瑞利准则)。超高分辨(Ptychography)层叠电子衍射成像有助于打破由数值孔径造成的分辨率障碍，并且通过精确了解点扩散函数，荧光图像也得到了极大改善。这一方面也反映在数据的分段傅里叶壳相关性中，其显示了对于分段区域，重建数据的分辨率在5 nm（单像素）到14 nm之间，并且在全局范围内为9 nm。

图2. 20nm纳米颗粒超晶格的三维渲染。

在单粒子水平上实现的层析成像重建实现了从体积上检查和分析超晶格中出现的缺陷。虽然自组装和原子晶体生长有不同的机制并发生在不同的长度尺度上，纳米尺度上的点(0D)、线(1D)、平面(2D)和体(3D)缺陷与原子晶体中的原子模拟缺陷相似。组装的晶格和各向同性纳米粒子的晶格之间的一个重要区别是:由框架提供的几何约束和相互作用的方向性可以导致特定的缺陷类型。通常观察到的缺陷是空位或0D缺陷，这可能是有利的能量作为熵力的结果。空位同样出现在组装的超晶格中，但它们的起源可能不同。原子上，空位是在远低于熔点的温度下，通过晶格中原子的扩散而成核的；相比之下，超晶格中的纳米颗粒由四个四面体固定，每个顶点通过多达六个在室温下稳定的DNA键连接到AuNP。这使得AuNP一旦完全成键，就不可能在室温下有足够的能量进行扩散;这表明缺陷是在点阵退火过程中形成的。结构中0D缺陷的另一个来源来自于AuNP周围四面体的异常堆积。如果有超过四个四面体，那么单位细胞就会变形。控制每个粒子四面体数量的关键参数是粒子的直径。对于20nm的AuNP，有时会协调四个以上的框架，导致了这个缺陷。作者进一步探究了线错位和螺旋错位（1D缺陷），在原子尺度上是晶格内应力和应变导致的长程缺陷。与空位缺陷类似，螺旋位错在能量上无法在超晶格中扩散，这意味着它们可能起源于晶格退火。应用层析成像来探索晶界的三维结构。为了确定粒子属于哪个域，利用原始数据的傅里叶变换来检测倒数空间(k空间)中与fcc结构相关的有序域峰。

图3. 三维纳米颗粒超晶格中缺陷、位错和畸变的观察。

虽然粒子的位置显示了单个粒子水平上的3D组织，但组装基序（DNA框架）仍然是不可见的。我作者进一步探索了一种不同的、更复杂的组织，其中15nm的AuNP被封装在四面体中，四面体通过顶点间键组装在金刚石晶格中。使用这种超晶格来创建基于四面体图案的多材料（铁\硅\铂）连续框架，同时保留纳米颗粒的位置。这种复杂的无机结构适用于各种材料应用，对可视化提出了重要挑战。组装钻石晶格后，通过将铁离子吸收到带电荷的DNA主链中，然后进行硅化和铂涂层，以DNA框架为模板。成像的元素灵敏度和空间灵敏度实现了绘制连续框架的金、铁和铂映射图谱。然后，重建了这些3D多材料框架和AuNP晶格，观察到它们与模型结构密切对应。这种方法清楚地显示了纳米颗粒和四面体图案之间的关系，无论是全局排列还是局部排列。铂和铁涂层提供了框架的完整视图，并在铂或铁未完全涂层的情况下相互补充。

图4. 基于四面体组装的金刚石超晶格的嵌入纳米颗粒的多元素连续框架。

小结：

总之， 作者开发了一种基于纳米聚焦硬X射线、DNA可编程纳米粒子组装和纳米尺度无机模板技术实现复杂组织的纳米粒子和多材料框架的非破坏性三维成像的方法。所开发的方法使创建DNA规定的离散和连续无机晶格成为可能，这些晶格可用于催化、光学和能源材料应用。已证明的表征方法将为理解和完善广泛的自组装纳米材料提供前所未有的机会。

参考文献：

Aaron Michelson et al. Three-dimensional visualization of nanoparticle

lattices and multimaterial frameworks. Science, 2022, 376:203-207.

DOI: 10.1126/science.abk0463.

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk0463