反向晶体生长理论的又一例证 

近期，晶体材料研究所黄柏标教授指导的硕士研究生许兵，利用“反向晶体生长（Reversed Crystal Growth）”理论，通过无模板水热法制备出一种新型的三氧化二铁多面体纳米材料。该材料具有单晶外壳、空心多面体结构。由于其独特的结构，将在许多方面具有潜在应用。相关工作被英国皇家化学学会的《化学通讯》杂志收录(Chem. Commun. 2012, DOI: 10.1039/C2CC33032F)。  

通常情况下，晶体的形成是由晶体的成核和生长两个过程组成。完美的多面体外形是以晶核为中心逐渐长大形成的。近几年，人们制备出的一些沸石晶体和有机晶体具有特殊的空心单晶结构。按照传统的晶体生长理论，无法解释具有完美多面体单晶外壳，内部为空心的晶体生长机理。为此人们提出了反向晶体生长理论。反向晶体生长是指：在晶核形成后，由于外部生长环境的影响，纳米晶核不再继续长大而是聚集为无序的大块颗粒；在一定条件下，聚集体的表面开始晶化形成薄的单晶外壳，随后完成从表面到核心的生长。 

该研究发展了一种简单的以C4MimBF4离子液与水为混合溶液的水热方法。Fe³⁺离子与水反应首先生成FeOOH。在水热下，FeOOH脱水形成类球形氧化铁颗粒。这种类球形氧化铁颗粒由于具有较差的结晶性和较大的表面能，而处于非稳定状态。当反应继续进行时，类球形颗粒的表面开始重结晶，逐渐转变成单晶薄壳，形成了具有单晶外壳和较差结晶性内核的氧化铁18面体。随着反应的进行，内核溶解，最终获得了空心多面体结构。研究发现，BF₄^-阴离子对形成这种特殊结构起到重要的诱导作用，而长链阳离子有利于晶体颗粒的均匀生长。

前期人们仅在部分沸石、钛酸盐和有机纳米晶体的制备中发现反向晶体生长现象。该研究工作将“反向晶体生长”理论拓展到简单金属氧化物晶体的制备中，证明了这种非传统晶体生长过程在材料合成中的普遍性，对促进和发展反向晶体生长理论具有极其重要的意义。