ACS Nano | 老树开新花:经典模板复型法实现对称星形二十面体的精准合成

英文原题：Precision Synthesis of Symmetrical Stellated Icosahedrons for Tailored Plasmonics and Magnetic Assembly

通讯作者：

冯世强，中国福建光电信息科学与技术创新实验室；程方，南京邮电大学；吴琳，新加坡科技设计大学；吴雪军，南京大学

作者：

Yue Chen (陈跃), Shiqiang Feng (冯世强), Juan-Feng Zhu (朱娟峰), Nuo Yang (杨诺), Xiangfu Hu (胡相辅), Dan Xu (徐丹), Yan Wang (王岩), Lijun Hu (胡丽君), Haixia Liu (刘海霞), Youzhi Yang (杨有志), Weigao Xu (徐伟高), Fang Cheng (程方), Lin Wu (吴琳), and Xue-Jun Wu (吴雪军)

背景介绍

具有高度对称分枝结构的金属纳米材料在表面增强拉曼散射（SERS）、催化以及生物成像等多个领域展现出巨大的应用前景。星形二十面体（STICs），作为一种理想的高对称分枝结构，其特征在于拥有20个规则排列的分枝，呈现I_h对称性。然而，传统的种子介导生长法由于金属表面原子快速扩散及各向同性生长占据主导，使得STICs的产率低下且分枝长度难以调控。因此开发一种能够高效合成高对称分枝纳米结构，并实现其尺寸调节的方法，仍是该领域的一大挑战。

文章亮点

近日，南京大学吴雪军教授团队及合作者采用经典的模板复型策略，成功实现了多种金属STICs（包括Au、Pt、Ag、Pd及磁性Ni-NiP_x）的高产率精准合成（图1）。该方法以预先合成的Ag-CdS STICs为模板，包覆SiO₂壳层后去除模板得到空心的SiO₂ STICs，再通过种子介导生长在空腔内精准沉积金属，最终获得与原始模板高度一致的金属STICs。

图1. 基于模板复型策略合成金属STICs的示意图

通过调控Ag-CdS模板的尺寸，成功合成了三种不同尺寸的Au STICs（尺寸分别为257 nm、215 nm和169 nm）。这三种Au STICs的纵向局域表面等离激元共振（LSPR）峰分别位于1181 nm、1005 nm和854 nm，吸收光谱覆盖可见光以至近红外区域，相应的分散液分别呈紫色、蓝紫色和深蓝色。单颗粒暗场散射光谱进一步证实了这种尺寸依赖的等离激元共振行为（图2）。

图2. Au STICs的表征与光学性质

为深入探讨Au STIC的等离激元特性，研究团队利用扫描透射电子显微镜结合电子能量损失谱（EELS），对单个Au STIC （沿C₅旋转轴投影）进行了亚纳米分辨的等离激元模式成像（图3）。实验发现，在1.30-1.60 eV能量范围内，等离激元模式主要分布于分枝尖端和中心区域；在2.20-2.50 eV能量范围内呈现类似但强度较低的空间分布。通过有限元法模拟进一步验证了1.50 eV 和2.28 eV的等离激元模式同时局域在中心和尖端，而2.48 eV的模式主要集中于中心。实验与模拟结果基本吻合，微小偏差归因于Au STIC的多晶结构及其表面粗糙度。

图3. 单个Au STIC的EELS表征

得益于高度对称的分枝结构和可调谐的等离激元特性，Au STICs展现出优异的SERS性能。单颗粒SERS测试结果表明单个Au STIC在微米级金片上的SERS信号比在硅片上强一个数量级以上，这是因为金尖端在金基底之间形成纳米间隙，产生强等离激元耦合。其中，中等尺寸的Au STIC-M因其LSPR峰与激发波长匹配度更高，加之形貌优势，使其SERS增强效果最为显著。此外，利用线偏振光激发单个 Au STIC，其C-S键拉曼信号强度随偏振方向呈现三组周期性峰值，体现了结构对称性带来的偏振角度依赖的增强效应（图4）。

图4. 单颗粒SERS表征

进一步拓展该合成策略，研究团队合成了磁性Ni-NiP_x@SiO₂ STICs。磁滞回线结果展示其铁磁性质。在外加磁场作用下，通过缓慢蒸发溶剂，这些STICs可自发组装成长达50 μm的一维链状结构（图5）。

图5. Ni-NiP_x@SiO₂ STICs的表征和自组装

总结/展望

本研究将经典的模板复型策略拓展至多种金属STICs的合成，包括Au、Pt、Ag、Pd以及磁性Ni-NiP_x。Au STICs展现出可调的等离激元共振、强SERS活性和偏振角度依赖的SERS效应；磁性Ni-NiP_x STICs实现了磁场驱动的链状自组装。这一方法为设计具有复杂形貌和对称性的功能纳米材料开辟了新路径，拓宽了其在催化，SERS以及生物成像领域的应用前景。

相关论文发表在期刊ACS Nano上，南京大学博士研究生陈跃、中国福建光电信息科学与技术创新实验室高级工程师冯世强、新加坡科技设计大学博士后研究员朱娟峰为文章共同第一作者，冯世强高级工程师、程方教授、吴琳副教授、吴雪军教授为共同通讯作者。

通讯作者信息：

冯世强高级工程师

中国福建光电信息科学与技术创新实验室，研究方向为纳米材料的电化学性能及电子显微学表征方法。

程方教授

南京邮电大学材料科学与工程学院，研究方向为纳米诊疗平台的构建及其肿瘤治疗研究与等离激元纳米材料的精准构筑及其生物传感应用。

吴琳副教授

新加坡科技设计大学科学、数学与技术集群，研究方向为计算纳米光子学与纳米等离激元学、腔量子电动力学与量子等离激元学、量子计算与量子模拟、经典与量子传感。

吴雪军教授

南京大学化学学院，研究方向为功能纳米材料的精准合成与性质研究、纳米晶表面修饰与自组装、光复合功能材料与光电器件。

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ACS Nano. 2026, 20, 14, 11434–11446

Publication Date: March 27, 2026

https://doi.org/10.1021/acsnano.6c02078

Editor-in-Chief

Xiaodong Chen

Nanyang Technological University

ACS Nano 是一个用于交流化学、生物学、材料科学、物理学和工程学领域有关纳米科学和纳米技术研究综合类文章的国际平台。此外，该期刊致力于促进科学家之间的交流，开发新的研究机会，通过新发现来推动领域的发展。

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