一直以来，人们从未停止对新材料的开拓。从石器时代、青铜时代、铁器时代到现代社会的单晶硅芯片，新材料不断改善着人类的生活和生产方式。
当从宏观尺寸缩小到微观的纳米至亚纳米尺度时，材料的物理和化学性质也会随之发生显著的改变。
单一组分材料的功能往往容易受限，而在微观尺度下集成多元素纳米材料体系则优势明显。
其通过不同元素的协同作用，可在此基础上表现出全新的功能，进而在诸多领域具备应用潜力，例如催化、能源转化、表面等离激元光学、磁学、生物成像等。
复旦大学材料科学系青年研究员陈鹏程的主要研究方向是，微观尺度多元素体系、有机-无机杂化体系、纳米材料基因组学和催化等。
他尝试建立一种普适的合成方法，通过建立纳米材料数据库，让微观多元材料的高通量制备成为可能。
凭借开发纳米材料数据库的高通量制备和研究新方法，为纳米材料基因组学的探索提供变革性技术，推动纳米材料应用于催化、能源转化等领域，陈鹏程成为 2023 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者之一。
他出生在浙江温州，父母常年在浙江义乌经商，从小受到企业家勇于探索创新、坚韧执着、诚信合作等精神的熏陶，也潜移默化地影响了他对科学问题的思考和处理方式。
在浙江大学完成本科和硕士阶段的学习后，陈鹏程前往美国西北大学材料科学与工程系读博，导师是查德·A·米尔金（Chad A. Mirkin）教授，研究方向为多元素纳米材料。
随后，在美国加州大学伯克利分校化学系从事博士后研究，合作导师为杨培东教授，研究方向聚焦于纳米材料中元素的合金化和相分离。
2022 年 10 月，他回国加入复旦大学，正式走上独立的科研道路。目前，陈鹏程的研究小组主要关注两个方向。
第一，深入探索微观尺度多元体系的热力学、动力学、构效关系等关键科学问题，这些基础研究有望填补领域内的空白，为低维多元纳米材料在众多方向的应用奠定理论基石。
第二，研发适用于清洁能源转化、污染物降解等用途的新型多元纳米材料，助力解决全球日益紧迫的能源和环境等问题。
首次实现多元纳米材料数据库的高通量制备和研究
推动材料学创新的核心驱动力是材料基因组学，也就是人们对材料组成、结构和性质之间关系的理解。
在宏观尺度上，目前研究者们对于多元素材料组成、结构和性质之间关系的认知已相当全面，但在纳米材料领域的类似基因组学研究却相对匮乏。
一直以来，低维多元纳米材料往往受限于逐一合成新体系、再逐一表征的范式，整体研究效率较低。
该领域的关键研究挑战是，材料尺寸、元素种类、元素比例等参数空间过于庞大，并且制备手段有限，其往往局限在三元以下体系。
如果把这些参数做排列组合，可以简单地勾勒出上亿种新材料。但是，这些新材料尚未被人类所探索，而且缺乏高效的合成手段。
图丨陈鹏程在中国科技青年论坛（来源：DeepTech）
陈鹏程在扫描探针纳米印刷术以及纳米反应器调控合成策略基础上，开发出一种多元素纳米粒子合成方法。
该方法可以在厘米级衬底上，制备含有上千万颗具有不同参数的纳米粒子数据库，具有普适性且调控精度高。
因而，首次能够进行多元素纳米材料数据库的高通量制备和研究，并拓展了多元素体系在微观尺度下热力学行为理解的边界。
该方法基于扫描探针印刷术制备具有金属离子的高分子纳米液滴反应器，在纳米反应器的空间限域作用下，在极小尺度范围内束缚多种元素，使制备多元素纳米粒子成为可能。
将金（Au）、银（Ag）、铜（Cu）、钴（Co）、镍（Ni）五元体系作模型，通过排列组合的方式，成功合成由这五种金属组成的全部纳米粒子 [1]。
“组合中的 16 种纳米粒子，是在该研究之前从未制造过的新材料。”陈鹏程说。
图丨（A）结合平行扫描探针印刷术和纳米反应器合成策略，制备纳米粒子巨型数据库用于功能纳米材料的高通量筛选；（B）纳米粒子多元化组合阵列；（C）复杂异质结多元纳米粒子库的构建和分相研究（来源：陈鹏程）
在该技术优势基础上，陈鹏程和团队建立了包括七种元素的非中心对称异质结纳米粒子数据库。
基于对七种元素进行排列组合，系统性地探索并结合理论模拟，在单个粒子中成功构筑了一至六种不同类型的热力学稳定相界面，为创制具有复杂异质结构的纳米材料提供了理论指导 [2]。
陈鹏程表示：“我们为纳米材料基因组学的研究提供了非常重要的平台，有利于进一步探索该领域的新知识，并成为快速研发和高通量筛选功能性纳米材料的新技术。”
据了解，通过和高通量的表征手段相结合，目前已经将该纳米材料库应用于清洁能源转化、生物成像、电催化等领域的高通量研究。
基于在纳米材料高通量实验方面的成果，目前米尔金教授课题组已牵头成立了一家初创公司 Mattiq，以推进可持续发展领域中关键材料的快速高效研发。
微观尺度下，宏观相图失灵了？
复合材料因包含多种元素而具备功能性，在广泛的领域中显示出应用价值。其中，控制各元素在材料中的分布，对材料的整体结构以及性质都至关重要。
通常来说，科学家在研究宏观材料时，会基于实验或模拟获得相图，进而在此基础上对材料结构、元素分布等进行设计。
在理论层面，此前有研究者提出，当把材料的尺寸缩小至纳米、亚纳米等微观尺度时，宏观相图有可能不再适用。
如果该理论成立，那么，在微观尺度材料中，将不互溶的两种元素混在一起，会像油和水那样呈分离状，还是像水和醇那样溶到一起呢？
带着这个问题，陈鹏程与课题组开启了这项研究。然而，系统合成材料以及材料的表征都充满了挑战。
他发现，虽然此前领域内有一定的认知，但理论层面的相关认知是碎片化的，并没有形成系统化的见解。
而在实验研究方面，也缺乏系统的数据，来揭示纳米材料尺寸如何影响元素间热力学混溶行为。
陈鹏程与团队在实验层面，基于二元模型体系，对不同组成、不同尺寸（1-4nm）的纳米颗粒中，不互溶元素的混溶性演变过程进行了深入探索。
他表示：“我们系统性地展示了不互溶元素金（Au）和铑（Rh），在微观材料中的相容性转变过程。其中，它们在直径为 2nm 以下的纳米粒子中变得完全可混溶。”
图丨在纳米和团簇尺度下，缩小金和铑之间的混溶间隙（来源：Nature Nanotechnology）
根据定量电子显微学分析和理论计算数据，纳米材料从不混溶到混溶的转变，与三个关键因素密切相关，分别是：纳米粒子直径、组成成分以及可能存在的表面吸附物。
该研究首次从实验的角度证明了从宏观到微观尺度，多元材料体系中的元素相容性会发生逆转的原因，并结合理论模拟揭示出影响元素相容性的因素。通过探索材料结构性质之间的关系，为设计新材料提供了指导思路。
陈鹏程表示：“该研究是微观多元体系基础研究方面的重要突破之一，有助于设计具有特定结构的多元纳米材料，相当于给领域打开了一扇大门，并展示了微观世界更多的可能性。”
日前，相关论文以《不混溶元素在纳米尺度上完全混溶》（Complete miscibility of immiscible elements at the nanometre scale）为题发在 Nature Nanotechnology[3]。
陈鹏程是第一作者，加州大学伯克利分校杨培东教授担任通讯作者。
图丨相关论文（来源：Nature Nanotechnology）
这种高通量的制备方法未来有望与大数据或 AI 辅助材料设计相结合，建立一整套高通量的设计、制备到性质表征的研究新范式，对促进微观多元材料的可控制备、快速研发和应用转化具有重要的意义。
例如，基于材料尺寸、元素种类、热力学参数、晶格结构以及相应的物理化学性质等，通过宽范围内的大量实验数据集对 AI 程序进行培训，预测多元体系在纳米至原子尺度下的各种性质。
“AI 和实验是相辅相成、缺一不可的。目前，我们正在进行原始数据的积累，实验的数据集需要非常可靠，尤其是数据集要有一定的离散度，未来 AI 预测才会更准确。”陈鹏程说。
参考资料：
1.P. C. Chen, X. Liu, J. L. Hedrick, Z. Xie, S. Wang, Q. Y. Lin, M. C. Hersam, V. P. Dravid, C. A. Mirkin, Polyelemental Nanoparticle Libraries, Science 2016, 352, 1565-1569. https://doi.org/10.1126/science.aaf8402
2.P. C. Chen, M. Liu, J. S. Du, B. Meckes, S. Wang, H. Lin,V. P. Dravid, C. Wolverton, C. A. Mirkin, Interface and Heterostructure Design in Polyelemental Nanoparticles, Science 2019, 363, 959-964. https://doi.org/10.1126/science.aav4302
3.P. C. Chen, M. Gao, C. A. McCandler, C. Song, J. Jin, Y. Yang, A. L. Maulana, K. A. Persson, P. Yang, Complete miscibility of immiscible elements at the nanometre scale. Nature Nanotechnology 2024, 19, 775–781. https://doi.org/10.1038/s41565-024-01626-0
运营/排版：何晨龙
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