超薄六方结构的金纳米带具有液体般的行为但晶相稳定

最近香港城市大学（香港城大）领导的一项研究发现，具独特六方晶相（4H型）的超薄金纳米带在受热时，会呈现类似液体的行为，然而其六方晶体结构却依然保持稳定。这项发现揭开了此新型金属纳米材料于热稳定性的神秘面纱，促进未来实际应用的开发。

超薄金属纳米结构因其小于10纳米的特征尺寸，具有不同于宏观材料以及常规纳米结构的优良特性，有望应用于未来的纳米电子器件及催化过程，尤其是由现为香港城大化学系胡晓明讲座教授（纳米材料）张华教授课题组于2015年研制出、具有异常亚稳状态的4H晶相超薄金纳米带。与常规的面心立方（face-centered cubic, FCC）金纳米结构相比，4H晶相金纳米带有更高的潜力可应用于等离子和催化过程，如电催化制氢之上。这些应用牵涉高温下的反应和操作，然而在受热情况下，这种金纳米带的晶相稳定性则尚未被深入研究。

最近，香港城大机械工程学系副教授陆洋博士及张华教授领导的研究团队，与麦吉尔大学（McGill University）的研究人员合作，运用先进的原位透射电子显微镜技术，成功解开超薄4H金纳米带受热时的热稳定性之谜。

形貌易改，晶相不变

团队研究发现，以可控电子束照射，将金纳米带以约400K（约127°C）的中低温度加热数十分钟后，其几何形貌会呈现出明显的改变：外形由光滑平直状变成正弦曲线状。

这种外形的改变可称为“瑞利不稳定性”（Plateau-Rayleigh instability），本意指液体向下流的时候，会倾向将表面面积缩至最小，最后因表面张力而断开成为一滴滴，稳定下坠。正弦曲线状就是液流断开成为一滴滴的过渡阶段。

陆博士说：“瑞利不稳定性本是液体中发现的现象，但近来亦在高温加热某些金属微纳米结构中出现，而这次的研究对象：4H晶相金纳米带，却在如此低的加热温度下出现此现象”。他续说：“纳米固体结构表面原子的扩散（diffusion）和表面能量两者均增强，正是导致瑞利不稳定性的几何形貌变化的主要机制。在这里，对于尺寸小于10纳米的超薄纳米金属而言，表面原子占整体体积的比例相对更高，所以与体积较大的金属结构相比，纳米金属表面原子的扩散对它整体的外形有更显著的影响，受热下外形的改变也就更明显。”

 

研究团队又发现金纳米带的其中一种特性，就是加热后带状大多倾向变为圆柱状，以便在总体积不变的情况下减少表面积。

 

研究团队又发现金纳米带的其中一种特性，就是加热后带状大多倾向变为圆柱状，以便在总体积不变的情况下减少表面积。

然而，令研究团队感到惊讶的，是4H晶相金纳米带在中低温加热下，尽管呈现出瑞利不稳定性的液体状变形，却仍能保持其亚稳态的4H晶相，其固体晶体结构并没有出现相变。陆博士说：“这是个既是‘固体又是液体’的奇妙状态，内部原子维持晶体有序排列的结构，但其表面原子可以大规模扩散，如液体般改变了几何外形。”

这是首次在超薄金纳米带中观察到瑞利不稳定性。陆博士相信，在其他超薄金属纳米结构中，瑞利不稳定性也可能是普遍现象。

高温触发不可逆转的相变

研究团队进一步研究该材料在极高温下的晶相稳定度，他们观察到当加热至800K（约527°C）的高温时，金纳米带会从4H晶相，逐渐相变为面心立方（FCC）晶相。温度进一步升高会加速相变。当温度升至约900K（约627°C）时，金纳米带几乎完全转变为FCC相。而即使温度下降，也不可逆转这种相变。

张教授说：“这个发现加深了我们对具独特4H晶相的超薄金纳米结构在特性和热稳定性上的了解，促进这物料未来于高温下应用在纳米电子器件、等离子和催化过程的发展。”

团队会将研究扩展到其他贵金属（如铂）的超薄纳米结构上，以探索它们更广泛的用途。

研究结果早前在Cell Press旗下的科学期刊《Matter》上发表，题为《Thermal effect and Rayleigh instability of ultrathin 4H hexagonal gold nanoribbons》。陆博士与张华教授以及麦吉尔大学的宋俊教授是论文的通讯作者。第一作者包括来自城大的李培峰和韩英，以及来自麦吉尔大学的周啸。来自城大的研究小组成员还包括范战西博士、徐尚、曹可、孟凡玲和高立波。

 

这项研究得到香港城大初创资金、香港研究资助局、国家自然科学基金、广东省自然科学基金，以及香港创新科技署透过香港城大国家贵金属材料工程技术研究中心香港分中心的支持。

DOI number: 10.1016/j.matt.2019.10.003 

本文已于 “香港城大研创” 微信公众号发布。

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