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科学家揭示纳米粒子神奇特性 外部液体内部晶体

发布时间:2019-10-12 19:04:11

北京时间10月14日消息 近日科学家们在金属纳米粒子里发现了一个令人惊讶的现象:从外面看它们像液体水滴,会摇晃并随时改变形状,而它们内部则是超级稳定的晶体结构。由美国麻省理工学院的李巨(Ju Li)教授带领的研究小组表示这项工作可以对纳米科技里部件的设计产生重要的启示意义,例如分子电子电路的金属接触点。

从外面看它们像液体水滴,会摇晃并随时改变形状,而它们内部则是超级稳定的晶体结构

这项发表在期刊《自然材料》上的研究结合了实验室分析和计算机建模,这支国际小组包含了来自中国、日本、匹兹堡大学和麻省理工学院的研究人员。这些实验是在室温环境下进行的,使用了直径不超过10纳米的纯银粒子——宽度不超过人类头发的1/1000。但研究结果应该可以应用在很多不同的金属上,BEA核科学与工程系教授的李这样说道。

银具有相对较高的熔点——大约为962摄氏度——因此纳米粒子里观测到的任何类似液体的行为应该“相当意外”。在利用锡进行的早期研究里已经观察到这一新现象的暗示,李解释道。

纳米粒子的应用包含从电子学到药物学等一系列领域,一般来说,这些领域的研究人员“希望形成形状,且这些形状要非常稳定,在有些情况下最好可以持续几年。”因此这些变形的发现揭示了很多这类应用面临的潜在障碍:例如,如果用于电子电路的金或者银纳米系带,这些变形会很快引起电路连接障碍。

研究人员利用透射式电子显微镜和原子建模进行的细节成像揭示了虽然金属纳米粒子的外部移动类似于液体,但只有相当于1-2个原子厚度的最外层在特定时间是移动的。随着这些外层原子层在表面移动并在其它处重新堆积,它们产生了更大运动量的错觉——但在每一颗粒子内部,原子保持完美排列,就像墙上的砖块一样。

“内部是结晶的,因此唯一移动光的原子是第一个或者第二个单层。”李说道。“除了第一、二层,其它各处都是结晶透明的。”相比之下,如果水滴融化成液态,晶体结构的有序性将完全丢失,就像一整面墙坍塌成分散的砖块。

从技术层面讲,粒子的变形是拟弹性的,这意味着在压力移除后材料可以回归之前的原始形状,就像被压缩的橡胶球,这与可塑性是相对的,后者是一堆已经变形的泥土,它会继续保持新的形状。

界面扩散的可塑性的现象最先是由美国麻省理工学院陶瓷工程学教授罗伯特•科博(Robert L. Coble)提出的,它也被称为科布尔蠕变(Coble creep)。“因此我们将所观察到的灵活的称为科布尔伪弹性。”李说道。

现在这一现象已经被科学家们理解,研究纳米电路或者其他纳米设备的科研人员可以轻易的进行补偿。如果纳米粒子得到难以察觉的稀薄氧化层的保护,那么类似液体的行为就可以完全消除,从而实现稳定的电路。

另一方面,这一现象对于其它应用也很有用:例如在电触头必须经受旋转重构的电路里,最大化这种效应的粒子或可能被证明是非常有用的,利用惰性金属或者在还原性气氛下,实现氧化层形成的失稳。

这一发现公然挑战了某些研究预期,这部分原因是对大部分材料的关系的理解已经很成熟,也即材料的机械强度会随着体积的减少而增加。“整体来说,体积越小,强度越大。”李说道。但“当体积非常小时,材料组件可能变得非常微弱,从‘越小越强’到‘越小越弱’的转变可能非常突兀。”

而这一临界点大约发生在室温环境下10纳米厚度时——随着电路的缩小,微芯片制造商正在逐渐逼近这个极限大小。当到达这一临界点,它会引起纳米部件强度的“急剧下降”。

这项发现还可以帮助解释在其它小型粒子研究中发现的一系列异常结果。“这篇研究非常优秀。” 美国西北大学机械工程教授奥拉西奥•埃斯皮诺萨(Horacio Espinosa)这样说道,他并没有参与这项研究。“这些实验非常困难,它们首次揭示了银纳米粒子在没有造成混乱的情况下恢复形状…李利用原子建模对这些实验的解释论证了在时间和空间规模,对比实验和计算机仿真所取得的近期进展。这对材料机械力学的很多方面都具有启示意义,因此我猜想这篇文章会被高度引用。”

这项研究的合作作者包括中国东南大学的孙军(Jun Sun)、贺龙兵(Longbing He)、徐涛(Tao Xu)、毕恒昌(Hengchang Bi)和孙立涛(Litao Sun);美国麻省理工学院和日本京都大学的罗宇杰( Yu-Chieh Lo );浙江大学的张泽(Ze Zhang);匹兹堡大学的斯考特•毛(Scott Mao)。这项研究得到了中国国家重点基础研究发展计划、中国国家自然科学基金会、中国教育部、中国江苏省国家科学基金会和美国国际科学基金会的支持。(

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