Ultratynde guld nanoribbons med unik sekskantet krystalfase viser væskelignende adfærd

En nylig undersøgelse ledet af City University of Hong Kong (CityU) har opdaget, at de ultratynde guld nanoribbons med unikke sekskantede (4H type) krystalfase viser "væskelignende" adfærd under opvarmning, men dens sekskantede krystallinske struktur forbliver stabil. Dette giver indsigt i den termiske stabilitet af denne nye type metalliske nanomaterialer og letter udviklingen af ​​praktiske applikationer i fremtiden.

På grund af dens funktionsstørrelse på mindre end 10 nm, ultratynde metal nanostrukturer har gunstige egenskaber, der adskiller sig fra bulkmetaller og almindelige metalliske nanostrukturer. De er blevet betragtet som en lovende bærer til fremtidig nanoelektronik og katalyse. I særdeleshed, ultratynde guld nanoribbons med usædvanlig metastabil sekskantet (4H type) fase, for det første rapporteret i et tidligere studie af professor Zhang Hua, i øjeblikket Herman Hu Formand Professor i Nanomaterialer ved Institut for Kemi ved CityUin 2015, har meget større potentiale i plasmoniske og katalytiske applikationer som elektrokatalytisk hydrogenudviklingsreaktion end den sædvanlige guldnanostruktur med ansigtscentreret kubisk (FCC-type) fase. Alligevel involverer disse applikationer reaktioner og funktion ved høje temperaturer, og fasestabiliteten for denne type guld -nanoribbons under opvarmning er ikke blevet undersøgt godt.

For nylig, et forskerhold ledet af Dr. Lu Yang, Lektor i Institut for Maskinteknik ved CityUand Professor Zhang, samarbejdede med forskere fra McGill University med succes afsløret de termiske reaktioner af ultratynde 4H guld nanoribbons ved forhøjet temperatur ved hjælp af avancerede in situ transmission elektronmikroskopi (TEM) teknikker.

Formen ændrer sig, men krystallinsk fase forbliver under moderat opvarmning

Ifølge holdets resultater, efter snesevis af moderat opvarmning ved omkring 400K (omkring 127 ° C) ved kontrolleret elektronstrålebestråling, 4H guld nanoribbons viste en tydelig ændring i sin geometriske form - fra en glat form til en sinusformet.

Denne ændring i form kaldes "Plateau-Rayleigh ustabilitet, "betyder oprindeligt, at en faldende væskestrøm har en tendens til at minimere deres overfladearealer og dermed bryde ind i en jævn strøm af dråber på grund af overfladespænding. Den sinusformede form er et mellemtrin i en strøm, der bryder i dråber.

"Rayleigh -ustabilitetsfænomenet blev oprindeligt fundet i væske, men er blevet opdaget i nogle metalliske nanostrukturer opvarmet under høj temperatur for nylig. Dog for 4H guld nanoribbons i denne undersøgelse, Rayleighs ustabilitetsfænomen blev observeret under lav opvarmningstemperatur, "sagde Dr. Lu. Han uddybede yderligere, at" Stigning i både atomdiffusion og optimering af overfladeenergi i nanoskala metalstruktur er de dominerende mekanismer for deres geometriudvikling af Rayleigh ustabilitet. I dette tilfælde, til ultratyndt nanometal med en størrelse mindre end 10 nm, overfladeatom optager en relativt højere andel af dets samlede volumen. Så diffusion af overfladeatomer har en meget større betydning for dens overordnede form, end den i metalstruktur i større (eller bulk) størrelse. Derfor er formændringen meget mere signifikant, når den opvarmes. "

Holdet fandt også båndformen af ​​guld nanoribbons besidder en generel tendens til at blive en cylindrisk form ved opvarmning, en særskilt funktion for nanoribbon -prøver, for at reducere overfladearealet, mens den konstante samlede volumen bevares.

Men hvad der overraskede holdet var, på trods af sin væskelignende deformationsadfærd ved Rayleigh ustabilitet, 4H -metastabile fase af guld -nanoribbons var stabil, forbliver i fast krystallinsk struktur uden nogen faseovergang under den moderate opvarmning. "Det er i en spændende tilstand af at være både fast og flydende, hvor indre atomer forbliver i periodisk krystallinsk ordnet struktur, men dets overfladeatomer kan flyde hurtigt i stor skala og ændre dens geometri som væske, "Beskrev Dr. Lu.

Det er første gang, at Plateau-Rayleigh-ustabilitet observeres i ultratynde nanoribbons, og Dr. Lu mente, at det kan være et universelt fænomen i andre ultratynde metalliske nanostrukturer, også.

Irreversibel faseændring ved høj temperatur

Forskergruppen undersøgte yderligere fasestabiliteten ved højere temperatur på 4H guld -nanoribbons. De observerede, at guld-nanoribbons begyndte at ændre sin fase fra 4H til ansigtscentreret kubisk (FCC) fase gradvist, da temperaturen var på 800K (omkring 527 ° C). Yderligere temperaturstigning accelererede faseovergangen. Hele nanoribbons transformerede næsten fuldstændigt til FCC -fasen, da temperaturen steg til omkring 900K (ca. 627 ° C). Og faseovergangen var irreversibel, da temperaturen faldt.

"Denne opdagelse giver en bedre forståelse af ejendommen og termisk stabilitet i ultratynde guld -nanostrukturer med den unikke 4H -fase. Dette ville lette udviklingen af ​​fremtidige praktiske applikationer inden for nanoelektronik, plasmonik, og katalyse, der involverer drift ved høje temperaturer, "sagde professor Zhang.

Teamet vil udvide deres undersøgelse af egenskaberne ved den ultratynde nanostruktur af andre ædle metaller, såsom platin, for at undersøge flere applikationspotentialer.

Forskningsresultaterne blev offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Stof , med titlen "Termisk effekt og Rayleigh ustabilitet af ultratynde 4H sekskantede guld -nanoribbons."