KAIST：“纳米粒子的悖论……金属混得越多越均一”

by Jeong Ilwoong

Published 08 May.2026 03:00(KST)

有研究结果颠覆了纳米材料领域长期以来“多种金属一混合就会破坏结构”的传统认知。其核心结论是：在混合多种金属时，金属元素之间的竞争性反应性，反而可以促成原子形成均一结构。先形成的金属原子会降低其他金属原子结合所需的能量屏障，起到一种“垫脚石”的作用。

（从左起）KAIST 生命化学工学系博士研究生 Yoon Jisu、斯坦福大学材料工学系博士 Jinwon Oh、KAIST 生命化学工学系讲座教授 Jung Heetae、斯坦福大学化学工学系教授 Matteo Cargnello。KAIST供图

KAIST表示，生命化学工程系特聘教授 Jung Heetae 研究团队与美国斯坦福大学 Matteo Cargnello 教授团队首次揭示了这一“悖论现象”，相关成果已于8日公布。

纳米粒子已在半导体、环保能源、生物等尖端产业领域被广泛用作核心材料。近年来，为了提升性能，发展趋势是向混合多种金属的“多组分”结构演进。

但由于不同元素的反应速度各不相同，粒子尺寸和形貌难以保持整齐一致（难以实现精密调控），一直被视为构建多组分结构的代表性难题。

联合研究团队将“成分集中”作为破解这一难题的线索。所谓成分集中，是指混合多种金属时，体系会自发趋向某一特定组分比例的现象。利用这一效应，即便金属元素种类增多，粒子的成分也能朝同一方向集中，从而实现均一化。

在实际不同金属原子竞争性结合的过程中，先占据位置的原子发挥了“垫脚石”的作用，帮助后续加入的原子更顺利地混入体系。原子并非随机混合，而是像层层砌垒一样有序堆叠，从而形成稳定结构。

利用竞争性反应性形成多组分纳米粒子及其在氢催化中的应用概念图（AI生成图像）。KAIST 供图

联合研究团队的这一成果意义在于：首次揭示出，在以往被视为纳米材料合成难题的“复杂化学反应环境”中，复杂性本身反而有助于原子形成有序结构。这一新原理表明，即使是由多种金属混合而成的复杂纳米材料，也“有可能按需进行精密结构设计”，这是本次研究的最大成果。

尤其是在同一原理指导下，研究团队制备了包含5种金属的多组分纳米粒子催化剂。结果显示，该催化剂在用于氢气制备的氨分解反应中，其效率约为目前工业现场最广泛使用的钌基催化剂的4倍，并且在900摄氏度高温下仍能保持结构稳定，展现出优异的耐热性。

Jung Heetae 特聘教授表示：“本研究发现并解析了纳米粒子合成过程中原本意料之外的‘悖论现象’的作用机理，意义重大。利用这一原理，可以根据目标性能来设计金属组成，有望推动高性能催化剂和环保能源材料的开发。”

此次研究中，KAIST博士研究生 Yoon Jisoo 与斯坦福大学博士 Jinwon Oh 担任共同第一作者，Jung Heetae 特聘教授与斯坦福大学 Matteo Cargnello 教授担任共同通讯作者。研究成果已于7日发表在国际学术期刊《Science》上。

本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。