新研究！离子软着陆技术可应用于材料合成

美国太平洋西北国家实验室和普杜大学的科学家们合作编写了一篇关于离子软着陆的特约综述，描述了如何将选定的复合离子束轻轻地沉积在表面上。
图片来源：美国太平洋西北国家实验室（PNNL）的Rose Perry

现今在化学制造，能源生产和储存，减少污染和医疗保健方面所需的应用主要是为了推动了具有催化和光电功能的新材料的开发。然而，为了预测和控制这些材料的性质，科学家们一直在分子水平上研究它们的发展过程。 通常，由于分子的复杂和非明确定义而进一步阻碍了观察人员对其进行详细的理解，这使得对实验结果的解释变得复杂化并使高级理论建模变得困难。

为了突出克服这一挑战的新方法，太平洋西北国家实验室（PNNL）和普杜大学的科学家们共同研究了离子软着陆技术以及它在材料合成中的应用。这种技术主要是将选定的分子轻轻地沉积在表面上，可以让科学家对构成复杂材料的这种分子成分进行精细控制。

这项工作最近被收录在Angewandte Chemie国际版的一篇特约综述中，题为“从孤立的离子到使用离子软着陆的多层功能材料”（From Isolated Ions to Multilayer Functional Materials Using Ion Soft-Landing）。

在评论文章中，Julia Laskin，Grant Johnson，Jonas Warneke和Venkateshkumar“Venky”Prabhakaran描述了离子软着陆技术的方法和优点。 例如，首先将分子转换成离子来实现这种精确控制，因为离子易于用电场和磁场操纵。然后通过它们的组成和离子电荷状态精确地分选离子，并将其作为已知形状和尺寸的集中光束传递到表面以制备出个性化的的膜和纳米结构。由于所得材料具有预定的组成，这使得检测出的物理性质和化学反应性更容易归因于实验观察到的特定几何形状和电子特征。反过来，这可以实现理论建模和预测，而不是利用反复试验法来设计材料合成方法。

太平洋西北国家实验室（PNNL）的物理化学家Johnson说：“离子软着陆使科学家能够精确控制各种分子的成分和覆盖范围，包括难以沉积的非挥发性物质。” Johnson提到该技术还可以通过能量溅射的技术以及使用常规方法不能生产的高反应性中间体来产生新的簇和纳米颗粒。

科学家们被邀请撰写评论，因为他们在发展储能，材料合成和催化研究技术方面发挥着主导作用，并为离子表面相互作用的领域做出了更加重大贡献。

普杜大学化学教授 Laskin表示：“十多年来，我们一直对离子软着陆技术着迷。这些年来，我们已经建立了对实验能力和对关键现象的理解，而这些关键现象是合成材料的这种方法所必需的。”

理解结构 -性能关系对于将来的应用所用到的改进材料至关重要。它能够使研究人员避免劳动密集，耗时且昂贵的反复试验法实验，这些实验主要是探索不同参数对新材料的性质和性能的影响。从复杂混合物中提取结构 - 性能关系是具有挑战性的，因为其中存在的其他非活性化合物模糊了目标分子的分析响应。而离子软着陆技术能够产生明确定义的高价值材料，例如具有精确尺寸和组成的微小金属和金属氧化物颗粒，可用于多相催化和电化学能量存储（例如超级电容器和电池）的研究。

来自太平洋西北国家实验室和普杜大学的研究人员Julia Laskin，Grant Johnson，Jonas Warneke和Venkateshkumar“Venky”Prabhakaran由于多年来开发离子软着陆技术在储存，材料合成和催化方面的能量研究很有经验，因此被特邀来编写特约综述。该团队决心继续将离子软着陆技术推进到一种独特的材料合成方法中，在仔细阅读了全球各国实验室和大学的科学家和同事的数百篇文章后，最终选择了该综述的内容。

他们在Angewandte Chemie国际版的Gesellshaft Deutscher Chemiker杂志上的综述文中强调了软着陆技术的最新发展，它能够在降低费用和复杂性的前提下在实验台上再现真空中离子软着陆的一些优点。

太平洋西北国家实验室（PNNL）的材料科学家Prabhakaran表示，团队发现了“高通量真空下的软着陆技术与原位电化学表征相结合，构成了理解储能装置性能对不同活动组件的通用方法。”

此外，该团队发现该技术可以深入了解高覆盖率下分子离子的特性可用于定制凝聚相薄膜的初始形态和结构演变。

洪堡大学（Humboldt）博士后研究员Warneke从德国来到太平洋西北国家实验室（PNNL）专门从事离子软着陆研究，他说道“我们首次使用高通量离子软着陆技术在表面产生迷人的液体状层。它是研究含有大量团簇和复杂分子层特性的理想工具，这可能会为能源科学和其他学科开辟新的前景。”

离子软着陆研究的下一步是通过控制质量选择离子沉积形成的宏观结构的三维排列。这一进步将使离子材料的特性能够以更精细的精度进行定制。