了解膠體狀態(tài)的金納米棒（GNR）光學(xué)特性對(duì)于將其設(shè)計(jì)用于許多領(lǐng)域的多功能應(yīng)用至關(guān)重要，伴隨的金納米球（GNS）很容易參與GNR合成，從而對(duì)GNR性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

在此，中山大學(xué)邵元智教授等人構(gòu)建了一個(gè)GNR-GNS異二聚體來模擬其膠體狀態(tài)，并通過量子化學(xué)（QC）方法計(jì)算了相關(guān)光學(xué)和電子特性。

具體而言，為了揭示GNS削弱GNR膠體溶液縱向吸收峰的機(jī)制，作者采用擴(kuò)展的基于緊束縛的簡化Tamm-Dancoff近似（sTDA-xTB）方法計(jì)算GNR與GNS在不同間距下共存的激發(fā)態(tài)吸收光譜。

QC計(jì)算證明，GNRs的電子結(jié)構(gòu)和激發(fā)行為易受GNS和GNR間距的影響，緊湊的二聚體通過阻止某些電荷轉(zhuǎn)移激發(fā)從而導(dǎo)致GNR的近紅外（NIR）吸收峰嚴(yán)重下降。從GNR膠體中消除伴隨的GNS對(duì)于實(shí)現(xiàn)為特定光學(xué)特性設(shè)計(jì)的純GNR至關(guān)重要，這可以通過ML分析輔助合成過程的調(diào)節(jié)和控制來實(shí)現(xiàn)。

圖1. GNR-GNS二聚體的光學(xué)和電子特性的QC計(jì)算

進(jìn)一步，作者測量了在不同條件下制備的310 組GNR-GNS膠體溶液的吸收光譜，并將其用作11個(gè)ML模型的數(shù)據(jù)集。這些溶液通過種子介導(dǎo)的生長方法制備，且具有不同的工藝參數(shù)。

預(yù)測結(jié)果顯示，XGBoost算法表現(xiàn)出最好的預(yù)測能力（準(zhǔn)確率超過0.94），它可以映射直接的合成性能關(guān)系并提取關(guān)鍵信息以優(yōu)化合成過程。在ML分析的指導(dǎo)下，來自經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的48種GNR膠體溶液可實(shí)現(xiàn)顯著增強(qiáng)的性能，且適用于多種NIR應(yīng)用。

總之，這項(xiàng)研究從實(shí)驗(yàn)和理論上解決了GNR-GNS膠體合成的兩個(gè)重要問題：

（1）附近GNS對(duì)GNR縱向吸收的減弱機(jī)制；

（2）在GNR合成中排除伴隨的GNS，通過實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)為特定高性能光學(xué)納米器件量身定制的純GNR解決方案。

圖2. GNR-GNS膠體光學(xué)特性的ML預(yù)測結(jié)果

Quantum Chemical Calculations and Machine Learning Predictions Innovate Synthesis for High-Performance Optical Gold Nanorods, Chemistry of Materials 2022. DOI: 10.1021/acs.chemmater.2c00839