纳米合成领域，至始至终贯穿着两条主线：一条是关于生长机理，一条是关于宏量制备。经过十年的黄金时代，纳米合成领域百花齐放。然而，即便如此，这两个主要任务却并没有很好的完成。如今，作为一个老课题，纳米合成和形貌控制已经门庭冷落，少有问津。今天，我们要讲的，就是在这个老课题中，发现关于五重孪晶的新的生长机理。 当两个晶体共用一个晶面，并以某种确定的对称性生长时，就会出现孪晶。早在近200年前，G. Rose等就发现了五重孪晶结构，孪晶材料在自然界和人工合成材料中普遍存在，矿石、金属、陶瓷等等。但是，其生长机理始终是一个谜。随后的200年来，机理研究持续不断，由于无法在原子尺度直接观测生长过程，导致生长机理的研究并无定论。

五重孪晶的应力可以增加纳米线的杨氏模量，多重孪晶铜纳米线表现出优异的CO2还原制甲醇性能，如此种种，不一而足。进一步深入理解其机理，有利于优化普遍存在的孪晶材料的结构及其在晶体生长、生物医学、光学、和催化等领域的应用。

2020年1月3日，美国太平洋西北国家实验室Dongsheng Li课题组及其合作者在Science发表论文，报道了他们通过原位透射电镜和分子动力学模拟手段，关于五重孪晶生长机理的新发现。 

研究发现，在Au、Pt和Pd纳米颗粒生长过程中，在3 nm左右的纳米晶重复性的定向富集（oriented attachment，OA）过程中，会不停发生晶界形成和消失的行为，并形成应变为零的特殊孪晶。具体来说，五重孪晶的形成主要有两条路径： 1）原子表面扩散，成核再生长路径：在OA过程中，如果生长表面的凹面曲率半径较小（~94 °）时，OA过程失去平衡，会产生大量的应力，并通过原子表面扩散到曲面，使表面能最小以达到热力学稳定。这个时候，就会形成晶格变形和高能晶界。 为了释放这种高能应变，就需要在三个连续的{111}面上滑移形成一个小的孪晶。这样既不需要在周边的晶格中产生额外应变，也不需要很高的能量，净应变为零。这种孪生结构的连续成核和生长最终释放应变，并形成五重孪晶的结构。

图1. 生长机理1
2）部分位错滑移路径：在OA过程中，如果生长表面的凹面曲率半径较大（~150 °）时，晶格变形明显减少。只需要少层{111}面的部分位错滑移就能形成不对称五重孪晶。进一步的滑移将形成更大的界面，并在晶格中产生额外的应变能。

图3. 生长机理2

 总之，这项研究又一次革新了我们对于晶体生长的认识。真理远不止于此，一个课题不会因为太老而暗淡无光，相反，在老课题中，也有很多闪光点留待我们去探索。 

参考文献：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

新闻稿链接：https://mp.weixin.qq.com/s/8XE_H7QSZZJC_7nORUMV2g