AFION实验室突破纳米粒子精准合成难题
AFION实验室突破纳米粒子精准合成难题
随着科技的不断发展，纳米粒子在化学传感、生物传感、光伏发电等领域的应用越来越广泛。然而，要合成性能优异的纳米粒子却并非易事。近日，发表在《自然通讯》上的一项研究，介绍了一种名为AFION的自动化实验室，它能够智能地合成具有特定结构和光学特性的等离子体纳米粒子。
纳米粒子合成的难题
纳米粒子的合成过程复杂且精细，就像烹饪一道复杂的菜肴，需要精确控制食材的添加顺序、火候和时间。在纳米粒子合成中，试剂的添加速度、浓度以及反应的时间和温度等因素都会相互影响，组合的可能性呈指数级增长。传统的人工试错方法耗时耗力，效率低下。
自动化实验室来帮忙
自动化实验室（SDLs）的出现为纳米粒子的合成带来了革命性的变化。它集成了自动化设备、纳米粒子检测工具和机器学习算法，能够精准控制反应条件并智能优化实验方案。然而，早期的自动化系统存在对杂质敏感、实验目标权重选择困难等问题。
AFION实验室的神奇之处
AFION实验室是专门用于光化学合成无机纳米材料的自动化平台。它通过闭环迭代的方式，不断调整反应条件以达到预设的光谱特性目标。每次实验后，系统会更新机器学习模型并推荐新的实验条件，直到合成出满足要求的纳米粒子。
合成多种纳米粒子的成果
AFION实验室在合成多种类型的等离子体纳米粒子方面展现了卓越的能力：
金纳米棒：通过控制光谱区域面积比、纵向表面等离子体共振峰位置、半高宽和强度比等参数，在23次实验时成功达到目标，且使用的CTAB试剂浓度仅为传统方法的十分之一。
合金AuAg纳米球：在27-29次实验时达到目标，合成的纳米球尺寸合适，金和银元素分布均匀。
核-壳Au/Ag纳米球：通过控制光谱区域面积比、表面等离子体共振峰位置、半高宽和强度比等目标，在25次实验时成功合成。
Au四足体：通过设定光谱区域面积比、表面等离子体共振峰位置、半高宽和强度比等目标，在28次实验时成功合成，效率远高于随机搜索方法。
实验室的性能评估
AFION实验室在多个方面表现出色：
自主性：整个合成过程完全自动化，无需人工干预。
运行寿命：可连续运行2天，完成80-100次反应，解决了前驱体降解问题后可实现长期运行。
通量：平均每小时可合成2-3个样品，通过振荡流体合成技术进一步提高了效率。
实验精度和可重复性：结果稳定，相对标准偏差小。
材料使用量：每种试剂用量仅0.005-0.06克，非常节省材料。
优化效率：在多目标优化合成等离子体纳米粒子方面效率显著高于随机搜索方法。
数据分析大揭秘
科学家们采用知识驱动和数据驱动两种方法分析了反应条件与纳米粒子类型之间的关系。知识驱动方法揭示了不同反应条件适合合成不同类型的纳米粒子，而数据驱动方法则发现硝酸银浓度对纳米粒子类型有重要影响。
总结与展望
AFION实验室在光化学合成纳米粒子方面展现了强大的能力，但仍存在光谱仪波长范围有限等局限。未来，该系统有望拓展到多步合成和非等离子体纳米粒子的合成领域，为纳米科技的发展带来更多可能性。
参考文献：
Wu, T., et al. Self-driving lab for the photochemical synthesis of plasmonic nanoparticles with targeted structural and optical properties. Nat Commun 16, 1473 (2025).