原子尺度原位揭示納米粒子相變微觀機(jī)制

趙進(jìn)才

(中國科學(xué)院化學(xué)研究所，北京100190)

原子尺度原位揭示納米粒子相變微觀機(jī)制

趙進(jìn)才

(中國科學(xué)院化學(xué)研究所，北京100190)

凝固和熔化是自然界普遍存在的現(xiàn)象，廣泛涉及到工業(yè)生產(chǎn)及物理、化學(xué)、生命、材料和環(huán)境等科學(xué)研究領(lǐng)域。但是，由于缺乏直接實驗依據(jù)，目前關(guān)于液態(tài)、固態(tài)之間相變的微觀機(jī)制認(rèn)識尚不十分清楚。為此，在原子尺度觀察材料相變過程中的成核、生長等微觀動力學(xué)過程則是認(rèn)識相變微觀機(jī)制的關(guān)鍵。由于相變過程的不連續(xù)性、瞬時性且發(fā)生的空間范圍往往在原子尺度等特點，實驗上很難實現(xiàn)在操控材料相變的同時對其微觀動力學(xué)過程進(jìn)行全面和詳細(xì)記錄。因此，相變微觀動力學(xué)研究至今仍是一項具有挑戰(zhàn)性的工作。為了克服這一困難，在實驗上，目前普遍利用膠體粒子(粒徑一般在微米量級)模擬實際物質(zhì)中的原子來構(gòu)建膠體體系作為研究對象1，在該體系中相變速率較慢且基本粒子粒徑較大，容易觀察到體系的相變過程。但是，這種模擬體系相變與實際相變?nèi)钥赡艽嬖谳^大差別。在納米粒子中，一個獨立的成核、生長過程通常能導(dǎo)致整個納米粒子的相變。因此，單個納米粒子是用來揭示物質(zhì)相變微觀機(jī)制較為理想的研究對象。

中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所王傳義、李英宣等與美國猶他大學(xué)臧泠教授等合作，在前期Bi納米粒子制備和生長機(jī)制研究基礎(chǔ)上2,3，通過原位高分辨透射電鏡，利用固態(tài)和液態(tài)Bi導(dǎo)熱性的差異，巧妙地實現(xiàn)了Bi納米粒子在SrBi2Ta2O9基底上溫度的自我調(diào)控，進(jìn)而實現(xiàn)了固態(tài)和液態(tài)Bi的可逆相變。在原子尺度上原位實時觀察到了固態(tài)和液態(tài)可逆相變在成核之前、成核、生長的整個微觀動力學(xué)過程。在固-液相變過程中發(fā)現(xiàn)了以缺陷作為成核位點的異相成核生長機(jī)制。在實驗上驗證了Samanta等4通過理論計算提出的固-液轉(zhuǎn)變微觀過程。在液-固相變中觀察到了通過一種有序液體中間態(tài)的兩步機(jī)制，為經(jīng)典的一步機(jī)制提供了有效補(bǔ)充。在原位觀察基礎(chǔ)上，研究者進(jìn)一步提出了一種“作用-松弛”的介尺度相變模型。該研究為液固可逆相變提供了一個新的微觀結(jié)構(gòu)演化的物理圖像，為今后在理論和實驗上深入理解相變這一重要的科學(xué)問題提供了借鑒。相關(guān)研究成果發(fā)表在Nature Communications上5。題目為In situ study on atom ic mechanism of melting and freezing of singlebismuth nanoparticles。

(1)Wang,Z.;Wang,F.;Peng,Y.;Zheng,Z.;Han,Y.Science 2012, 338,87.doi:10.1126/science.1224763

(2)Li,Y.;Zang,L.;Li,Y.;Liu,Y.;Liu,C.;Zhang,Y.;He,H.;Wang, C.Chem.Mater.2013,25,2045.doi:10.1021/cm400065x

(3)Li,Y.;Bunes,B.R.;Zang,L.;Zhao,J.;Li,Y.;Zhu,Y.;Wang,C. ACSNano 2016,10,2386.doi:10.1021/acsnano.5b07197

(4)Samanta,A.;Tuckerman,M.E.;Yu,T.Q.;Weinan,E.Science 2014,346,729.doi:10.1126/science.1253810

(5)Li,Y.;Zang,L.;Jacobs,D.L.;Zhao,J.;Yue,X.;Wang,C.Nat. Commun.2017,8,14462.doi:10.1038/ncomms14462

In situ Atomically Revealing the Microscopic Mechanism of Phase Transition in Single Nanoparticles

ZHAO Jin-Cai
(Institute ofChem istry,Chinese Academy ofSciences,Beijing 100190,P.R.China)

10.3866/PKU.WHXB201702172

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