纳米材料在5分钟(a)、20分钟(b)和1小时(c)后的三维结构和化学成分表征。扫描电子显微镜图像（下标1）、重建的三维体积渲染（下标2）和三维元素映射（下标3）展示了银纳米立方体向金-银纳米封装器的转换过程。
使用纳米封装器作为载体搭载和释放DNA帽球形纳米颗粒的示意图。蓝色和红色箭头指示了盐浓度。
phys.org网站1月3日报道，美国布鲁克黑文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）功能纳米材料中心（CFN）的研究人员，采用一步化学合成法，制备了一种中空的、四角有方形孔洞的金属纳米盒子，并演示了如何利用这些“纳米工兵”来携带和释放涂装了DNA的纳米颗粒。相关研究发表于《美国化学学会核心科学》（ACS Central Science）杂志中。论文合著者、CFN研究人员Oleg Gang说：“试想，你有一个盒子，但只能使用盒子的外部，不能使用其内部，这显然有点浪费了。这个问题在纳米材料中广泛存在：大多数纳米颗粒组装形成的结构都是实心体，我们需要使其内部空间结构也派上用场。”
论文通讯作者、Gang团队成员Fang Lu说：“与实心纳米结构相比，空心纳米结构具有奇特的光学和化学性质，我们希望将其用于生物医学、传感和催化等领域。此外，我们还希望在中空结构中引入表面开口，使药物、生物分子甚至纳米颗粒等能根据环境条件的变化而自由进出。”
虽然合成策略的高速发展已经使研究人员可以制造出含表面孔洞的中空纳米结构，但这些孔洞的尺寸、形状和形成位置都不能准确控制。孔洞往往是以随机的方式分布在结构表面，形成类似瑞士奶酪的结构。为了将含表面孔洞的中空纳米结构用于实际需求，研究人员需要对表面开口进行精确控制。Lu等展示了一种通过化学方式，在实心纳米粒子中“雕刻”出带有立方体角孔的金-银合金纳米封装体的新途径。他们使用了被称为“纳米级电流置换”的化学反应来达到目标。在反应中，银纳米立方体中的原子在室温下被溶液中的金离子所取代。Lu等在溶液中加入了一种特殊的表面活性剂，可直接浸出银，并将金沉积在特定的晶体表面区域。Lu解释说：“立方体表面的原子排列方式与其四角处不同。因此电流反应在这两个区域的进程是不相同的。我们选择的表面活性剂能与银表面‘完美’结合，使金和银产生相互作用。此外，表面活性剂在银纳米立方体角部的吸收相对较弱，导致置换反应更为激烈。边缘处的银被‘吃掉’形成角孔，而金则沉积在表面的其他部分，形成金和银的外壳。
为了监测三维纳米尺度和二维原子尺度下的结构和化学组成变化，研究人员利用扫描电镜和能谱等对历时3个多小时的反应进行了观测。最终确定合成的纳米立方体是一种由金-银合金组成的中空体，并通过电子断层扫描确定中空体的四角有立方孔洞。研究人员还通过光谱实验分析了纳米封装器的转变过程，认为可通过改变反应时间调节纳米封装器的光学吸收，使其具有吸收红外光的能力。Gang说：“通常情况下，金和银纳米结构可以吸收可见光，但为了使新纳米结构能用于生物医学，我们希望它能吸收红外光。”
利用合成的纳米封装器，Lu等演示了如何通过改变溶液中的盐浓度，将涂装有DNA的球形金纳米颗粒装入纳米封装器，并让其从角落的开口中释放出来的过程。未来，研究人员会尝试将纳米封装器组装为更大的结构，以及将新方法拓展到其他双金属系统，并比较纳米封装器的内外催化活性。
编译：雷鑫宇
审稿：三水
责编：南熙
