图说：利用反应环境原子级调控催化剂活性界面结构 采访对象供图
纳米材料已经广泛应用于国民经济的各个领域。表界面结构是决定纳米材料性能的关键因素，但如何调控这一活性界面，是当今科学界面临的一大挑战。金属颗粒在负载过程中与基底形成的界面具有随机性，负载完成以后也缺乏有效手段对界面进行“精修”，这使得精确调控颗粒与氧化物间的活性催化界面成了一个“不可能的任务”。
经过近五年的合作研究，浙江大学、中国科学院上海高等研究院、丹麦科技大学的研究团队利用环境透射电子显微镜的原位表征和第一性原理计算，对原子尺度下一氧化碳催化氧化过程中观察到的催化剂界面活性位点的可逆变化进行解析，理解了活性界面与反应环境之间的动态原位相关关系，最终提出并首次实现了界面活性位点的原子级别精准原位调控。该成果近日在线发表于国际顶级期刊《科学》（Science）。
发现金颗粒在旋转
负载在二氧化钛表面的金颗粒是将一氧化碳转化为二氧化碳的重要催化剂，也是工业催化研究中的常见组合。浙江大学依托其擅长的原位环境电镜开展催化反应实验，通过原子层面的原位表征，首次发现两大现象：一是看到催化反应时金颗粒发生面内（外延）转动（约9.5°），首次通过可视化实验直观证明了活性位点位于界面；二是发现停止通入一氧化碳催化时，金颗粒又神奇地转回到原来的位置。为了完全确认转动现象，浙江大学实验团队更是从侧视与俯视两个角度进行了精细审慎的表征。
提出精确调控界面
中科院上海高等研究院理论团队根据实验结果首先大胆猜测，诱导颗粒转动的“元凶”是界面吸附的氧，并就此推测开展了一系列第一性原理及纳米尺度热力学计算。结果显示，界面缺氧状态下的颗粒与二氧化钛载体紧密结合的同时，丧失了一定的吸氧能力，转动了一个小的角度之后的颗粒界面则能提供多且好的吸附氧活性位点。为了能更好地与吸附氧相结合，适应高氧环境，颗粒转动由此发生。而在界面氧被活化与一氧化碳反应之后，颗粒又回到了原有位置以便与载体紧密结合。
基于这样的理论认识，科研人员进一步提出了通过更换气体环境与控制温度等来精确调控界面的设计思路，并最终在原位电镜实验中得以实现。
昭示革命性的可能
中科院上海高等研究院朱倍恩博士介绍，通常人们认为固体晶体是一种稳固的材料，对固体晶体材料的调控必须从其生长过程着手，一旦材料成型再要调控是非常困难的。“就像一个乐高玩具，如果我们想要重塑其结构，必须进行拆解才能再构。”但最近十多年的原位研究显示，纳米固体晶体材料远没有大家想的那么“硬”，而是更像橡皮泥一样具有很强的原位可塑性。
这些原位实验现象昭示了一种革命性的原位“智造”纳米材料的可能性，但是这一切的前提是能合理预测其变化。