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預測納米顆粒穩定形貌——Wulff構造介紹
來源：測試GO 時間：2022-05-23 10:26:04 瀏覽：5468次

一般情況下，液體會有減小表面積的傾向，這種作用力被稱為“表面張力”。在失重環境下比如飛船中，水滴完全失重呈現球狀結構。這是由于在體積確定情況下，水滴形成球狀結構能夠擁有最小的表面能。

類似的，對于納米顆粒，在平衡狀態下也傾向于形成低表面能的晶面，從而決定了納米顆粒的形貌。為了預測納米顆粒的形貌，Gibbs、Wulff,、Herring和Cerf等提出了Wulff構造的概念。本文將詳細介紹Wulff構造的原理、應用和計算。


01

 Wulff構造的原理


Wulff構造的理論基礎是Gibbs-Wulff晶體生長定律。Gibbs-Wulff定律表述為：晶體在等溫恒容的情況下，如果晶體的總表面能最小，則相應的形態為晶體的平衡形態。某一晶面族的線性生長速率與該晶面族的比表面自由能成正比：


02

 Wulff構造的應用


Wulff構造最早提出應用于解釋地質學中礦物結構的形成。近年來，由于科技進步和表征手段的提高，Wulff構造被發現也適用于納米團簇、有機晶體和生物體系。

ACS Catal. 2019, 9, 2768中作者研究了CO覆蓋率、暴露溫度和壓力等影響因素對Ru納米顆粒HCP結構的FCC結構的影響。

Adv. Mater. 2016, 28, 1697中作者研究了DBTDT晶體的不同晶面的生長模式，證明了有機晶體同樣也滿足Wulff構造。

Nat. Comm. 2021, 12, 3011中作者發現DNA折紙單晶的形狀也滿足Wulff構造。


03

 Wulff構造的計算


Wulff構造的計算，其關鍵在于知曉晶體結構和不同晶面表面能的相對大小。以下提供幾種方法，用于繪制簡單納米團簇的Wulff構造。

3.1 Materials Project：在線查詢Wulff構造

Materials Project是著名的材料基因組數據庫，收錄了很多晶體結構的計算信息。對于Wulff構造最重要的表面能信息，可以參考此篇文獻提供的信息。

其數據也可直接從{ HYPERLINK" http://crystalium.materialsvirtuallab.org/" \h}查詢，界面如下：

點擊進入即可查詢對應金屬單質的Wulff構造和各個晶面的表面能。

對于編號為mp-2的Pd，其結構Wulff構造如圖所示：

3.2 VESTA中繪制Wulff構造

VESTA可以從https://jp-minerals.org/vesta/en/下載。本部分以上文中的mp-2結構為例，建立對應的Wulff構造。

打開VESTA，打開File-New Structure，建立空白結構

在Unit cell中選取對應的空間群，點擊OK

在Edit-Edit Data-Crystal Shape中輸入對應的晶面和晶體中心到相應晶面的距離，因為晶體中心到相應晶面的距離與表面能成正比，故而可用表面能數據代替：

點擊Apply，即可得到相應的Wulff構造：

3.3 ASE繪制Wulff構造

使用conda安裝ase：

conda install ase

啟動Python環境，輸入如下代碼

from ase.cluster.wulff import wulff_construction

from ase.io import write 

atoms = wulff_construction('Ru',                       

surfaces=[(1, 0, 0),(1, 1, 0),(1, 1, 1),(2, 1, 0),(2, 1, 1)],#定義不同的晶面                       

energies=[0.180,0.190,0.160,0.200,0.190],#定義不同晶面的表面能，需和晶面一一對應                       

size=2700,#定義了納米結構的原子數                       

structure='fcc', #納米結構的堆積方式為fcc,此外還可以支持bcc和sc                       

latticeconstant=3.7476,#晶格參數為3.7476                       

rounding='closest') #納米結構最終原子數可以低于或者高于2700，也可以選擇above和below高于或者低于設定數

write('Ru.xyz', atoms) #導出Ru.xyz的結構文件

write('Wulff.png', atoms)#導出圖片格式

具體代碼含義可以參照注釋。

導出的Wulff.png如圖所示：

使用VMD進行以下設置：

 

得到最終效果如圖所示：


04

 總結


Wulff構造是一種預測納米顆粒形貌的有效手段。通過查詢Materials Project數據庫，結合VESTA和ASE等軟件，我們可以輕松畫出納米結構對應的Wulff構造，從而構建起宏觀結構與微觀組成的橋梁。


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全部 3小時前 四川
文字是人類用符號記錄表達信息以傳之久遠的方式和工具。現代文字大多是記錄語言的工具。人類往往先有口頭的語言后產生書面文字，很多小語種，有語言但沒有文字。文字的不同體現了國家和民族的書面表達的方式和思維不同。文字使人類進入有歷史記錄的文明社會。
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