超薄六方結構的金納米帶具有液體般的行為但晶相穩定

最近香港城市大學（城大）領導的一項研究發現，具獨特六方晶相（4H型）的超薄金納米帶在受熱時，會呈現類似液體的行為，然而其六方晶體結構卻依然保持穩定。這項發現揭開了此新型金屬納米材料於熱穩定性的神秘面紗，促進未來實際應用的開發。

超薄金屬納米結構因其小於10納米的特徵尺寸，具有不同於宏觀材料以及常規納米結構的優良特性，有望應用於未來的納米電子器件及催化過程，尤其是由現為城大化學系胡曉明講座教授（納米材料）張華教授課題組於2015年研製出、具有異常亞穩狀態的4H晶相超薄金納米帶。與常規的面心立方（face-centered cubic, FCC）金納米結構相比，4H晶相金納米帶有更高的潛力可應用於等離子和催化過程，如電催化制氫之上。這些應用牽涉高溫下的反應和操作，然而在受熱情況下，這種金納米帶的晶相穩定性則尚未被深入研究。

最近城大機械工程學系副教授陸洋博士及張華教授領導的研究團隊，與麥吉爾大學（McGill University）的研究人員合作，運用先進的原位透射電子顯微鏡技術，成功解開超薄4H金納米帶受熱時的熱穩定性之謎。

中低溫加熱︰形貌改變但晶相不變

團隊研究發現，以可控電子束照射，將金納米帶以約400 K（約127°C）的中低温度加熱數十分鐘後，其幾何形貌會呈現出明顯的改變：外形由光滑平直狀變成正弦曲線狀。

這種外形的改變可稱為「瑞利不穩定性」（Plateau-Rayleigh instability），本意指液體向下流的時候，會傾向將表面面積縮至最小，最後因表面張力而斷開成為一滴滴，穩定下墜。正弦曲線狀就是液流斷開成為一滴滴的過渡階段。

陸博士說：「瑞利不穩定性本是液體中發現的現象，但近來亦在高溫加熱某些金屬微納米結構中出現，而這次的研究對象：4H晶相金納米帶，卻在如此低的加熱溫度下出現此現象」。他續說：「納米固體結構表面原子的擴散和表面能量兩者均增強，正是導致瑞利不穩定性的幾何形貌變化的主要機制。在這裏，對於尺寸小於10 纳米的超薄納米金屬而言，表面原子佔整體體積的比例相對更高，所以與體積較大的金屬結構相比，納米金屬表面原子的擴散對它整體的外形有更顯著的影響，受熱下外形的改變也就更明顯。」

 

研究團隊又發現金納米帶的其中一種特性，就是加熱後帶狀大多傾向變為圓柱狀，以便在總體積不變的情況下減少表面積。

 

然而，令研究團隊感到驚訝的，是4H晶相金納米帶在中低溫加熱下，儘管呈現出瑞利不穩定性的液體狀變形，卻仍能保持其亞穩態的4H晶相，其固體晶體結構並沒有出現相變。陸博士說：「這是個既是『固體又是液體』的奇妙狀態，內部原子維持晶體有序排列的結構，但其表面原子可以大規模擴散，如液體般改變了幾何外形。」

這是首次在超薄金納米帶中觀察到瑞利不穩定性。陸博士相信，在其他超薄金屬納米結構中，瑞利不穩定性也可能是普遍現象。

高溫觸發不可逆轉的相變

研究團隊進一步研究該材料在極高溫下的晶相穩定度，他們觀察到當加熱至800 K（約527°C）的高温時，金納米帶會從4H晶相，逐漸相變為面心立方（FCC）晶相。溫度進一步升高會加速相變。當溫度升至約900 K（約627°C）時，金納米帶幾乎完全轉變為FCC相。而即使溫度下降，也不可逆轉這種相變。

張教授說：「這個發現加深了我們對具獨特4H晶相的超薄金納米結構在特性和熱穩定性上的了解，促進這物料未來於高溫下應用在納米電子器件、等離子和催化過程的發展」。

團隊會將研究擴展到其他貴金屬（如鉑）的超薄納米結構上，以探索它們更廣泛的用途。

研究結果早前在Cell Press旗下的科學期刊《Matter》上發表，題為《Thermal effect and Rayleigh instability of ultrathin 4H hexagonal gold nanoribbons》。陸博士與張華教授以及麥吉爾大學的宋俊教授是論文的通訊作者。第一作者包括來自城大的李培峰和韓英，以及來自麥吉爾大學的周嘯。來自城大的研究小組成員還包括范戰西博士、徐尚、曹可、孟凡玲和高立波。

 

這項研究得到城大初創資金、香港研究資助局、國家自然科學基金、廣東省自然科學基金，以及香港創新科技署透過國家貴金屬材料工程技術研究中心香港分中心的支持。

DOI number: 10.1016/j.matt.2019.10.003