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Autonomous Nanoparticle Synthesis Guided by In Situ Multiscale Structural Characterization

表征(材料科学) 微晶 纳米颗粒 化学 分散性 纳米技术 实现(概率) 粒径 膨胀的 联轴节(管道) 粒子(生态学) 纳米棒 纳米结构 动态光散射 散射 航程(航空) 非线性系统 高斯分布 生物系统 过程(计算) 背景(考古学) 纳米晶 扫描电子显微镜 胶体金
作者
Hyeong Jin Kim,Matthew R. Carbone,Fang Lu,Xiaohui Qu,Kristofer Reyes,Honghu Zhang,Lihua Zhang,Oleg Gang,Yugang Zhang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (1): 162-174 被引量:2
标识
DOI:10.1021/jacs.5c03875
摘要

Autonomous synthesis platforms promise rapid exploration of vast parameter spaces; yet, integrating in situ structural characterization in closed-loop synthesis optimization remains challenging. We demonstrate a realization of such a closed-loop platform coupled with a droplet-flow microreactor, in situ X-ray scattering methods (SAXS/WAXS), and Gaussian process optimization to synthesize citrate-reduced Au nanoparticles with targeted characteristics. The system efficiently explored ∼19,000 synthesis recipes through 365 experiments, achieving precise control over size (4-60 nm) and polydispersity (σ < 0.11) across large citrate/gold ratios, exceeding traditional synthesis boundaries (1-10). Beyond confirming classical Turkevich-Frens trends, partial-dependence analysis revealed strong nonlinear coupling among precursor, citrate, and pH effects. Combining quantitative SAXS/WAXS analysis with electron microscopy characterization, we uncovered that crystallite size (dc) and particle size (d) follow dc = 0.18d + β, where synthesis chemistry controls the intercept β while maintaining a universal slope. This parallel-band structure enables independent tuning of crystallite domain size at fixed particle diameter through a combination of chloride, gold precursor, citrate, and pH contributions (cross-validated Spearman ρ = 0.7 ± 0.1). High-resolution electron microscopy shows multiple lattice-fringe orientations within single particles, directly confirming polycrystalline domains and the ability to tune dc at the fixed d. The platform's validation includes indistinguishable static versus flowing measurements, stable droplet transport at 100 °C, and <5% run-to-run variation, establishing a robust framework for mapping and controlling multiscale nanoparticle structure across expansive chemical spaces. The developed closed-loop platform can be applied to a borad range of nanosyntheis processes.
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