香港城市大學(CityU)最近進行的一項研究發(fā)現(xiàn)，具有獨特六角形(4H型)晶相的超薄金納米帶在加熱下表現(xiàn)出“類液體”的行為，但其六角形晶體結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。這提供了對這種新型金屬納米材料的熱穩(wěn)定性的見識，并促進了未來實際應用的發(fā)展。

由于其特征尺寸小于10nm，超薄金屬納米結(jié)構(gòu)具有與塊狀金屬和規(guī)則金屬納米結(jié)構(gòu)不同的良好特性。它們被認為是未來納米電子學和催化的有希望的載體。特別是，具有不尋常的亞穩(wěn)態(tài)六方相(4H型)相的超薄金納米帶，首先是由張華教授在較早的研究中報道的。張華教授目前在CityUin的化學系納米材料講座教授Herman Hu教授，2015年在等離激元和催化應用中具有更高的潛力電催化氫析出反應要比通常的金納米結(jié)構(gòu)具有面心立方(FCC型)相。但是這些應用涉及反應和在高溫下的功能，

最近，由城市大學機械工程系副教授陸陽博士和張教授共同領導的研究團隊與麥吉爾大學的研究人員合作，通過先進的原位透射電子顯微鏡成功揭示了超薄4H金納米帶在高溫下的熱響應。 (TEM)技術。

形狀變化，但在適度加熱下仍保持結(jié)晶相

在低于400K的中等電子束輻照加熱下，“ 4H超薄金納米帶”出現(xiàn)“瑞利不穩(wěn)定性”，但4H晶相保持穩(wěn)定。

根據(jù)研究小組的發(fā)現(xiàn)，在通過受控電子束輻照在400K(約127°C)下適度加熱數(shù)十分鐘后，4H金納米帶的幾何形狀發(fā)生了明顯的變化-從光滑的形狀變?yōu)檎倚巍?/p>

這種形狀變化被稱為“高原-瑞利不穩(wěn)定性”，最初是指下降的液體流傾向于使它們的表面積最小化，并因此由于表面張力而分裂成穩(wěn)定的液滴流。正弦形狀是流分裂成液滴的中間階段。

陸博士說：“瑞利不穩(wěn)定性現(xiàn)象最初是在流體中發(fā)現(xiàn)的，但最近在高溫下加熱的某些金屬納米結(jié)構(gòu)中才發(fā)現(xiàn)。然而，對于本研究中的4H金納米帶，瑞利不穩(wěn)定性現(xiàn)象是在較低的加熱溫度下觀察到的。” 他進一步闡述說：“納米級金屬結(jié)構(gòu)中原子擴散的增加??和表面能的優(yōu)化是其瑞利不穩(wěn)定性幾何演化的主要機制。在這種情況下，對于尺寸小于10nm的超薄納米金屬，表面原子占據(jù)相對較大的比例。因此，與更大(或更大)尺寸的金屬結(jié)構(gòu)相比，表面原子的擴散對其整體形狀的影響要大得多。

研究小組還發(fā)現(xiàn)，金納米帶的帶狀形狀通常具有加熱后變成圓柱形的趨勢，這是納米帶樣品的獨特特征，以便在保持恒定總體積的同時減少表面積。

電子束輻照前后形狀演變的示意圖?？梢酝茰y，在瑞利不穩(wěn)定過程中，表面金原子將擴散并向厚度方向遷移，以使表面積最小化。因此，厚度，即頸縮部分(t1)和凸出部分(t2)都增加了。圖片來源：香港城市大學

但是，使團隊感到驚訝的是，盡管它具有瑞利不穩(wěn)定性的類似液體的變形行為，但金納米帶的4H亞穩(wěn)相是穩(wěn)定的，在整個適度加熱過程中保持固態(tài)晶體結(jié)構(gòu)，沒有任何相變。陸博士說：“它處于固態(tài)和液態(tài)的有趣狀態(tài)，內(nèi)部原子保持周期性的晶體有序結(jié)構(gòu)，但其表面原子可以像液體一樣快速大規(guī)模流動并改變其幾何形狀。”

盧博士認為，這是首次在超薄金納米帶中觀察到高原-瑞利不穩(wěn)定性，這在其他超薄金屬納米結(jié)構(gòu)中也可能是普遍現(xiàn)象。

研究團隊進一步研究了4H金納米帶在更高溫度下的相穩(wěn)定性。他們觀察到，當溫度為800K(約527°C)時，金納米帶開始逐漸從4H轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎?FCC)相。溫度的進一步升高加速了相變。當溫度升至約900K(約627°C)時，整個納米帶幾乎完全轉(zhuǎn)變?yōu)镕CC相。隨著溫度下降，相變是不可逆的。

張教授說：“這一發(fā)現(xiàn)使人們對具有獨特的4H相的超薄金納米結(jié)構(gòu)的性質(zhì)和熱穩(wěn)定性有了更好的了解。這將促進納米電子，等離子和催化等涉及高溫操作的未來實際應用的發(fā)展。” 。

該團隊將擴大對其他貴金屬(如鉑)的超薄納米結(jié)構(gòu)性質(zhì)的研究，以探索更多的應用潛力。

該研究結(jié)果發(fā)表在名為《超薄4H六角形金納米帶的熱效應和瑞利不穩(wěn)定性》的科學雜志Matter上。