博士娱乐平台
搜索熱: 石墨烯
掃一掃 加微信
首頁 > 新聞資訊 > 科技前沿 > 消息正文
首頁 > 新聞資訊 > 科技前沿 > 消息正文
Nature子刊:室溫下非晶金屬納米顆粒的類液體行為
發布:blast_k   時間:2019/5/17 9:12:01   閱讀:386 
分享到新浪微博 分享到騰訊微博 分享到人人網 分享到 Google Reader 分享到百度搜藏分享到Twitter

作為目前已經被大量市場化的應用材料,低維材料表現出各種優異性能,在半導體、光學、醫藥、能源、信息技術等領域及人們日常生活用品中都扮演著重要的角色。同時凝聚態物理諸多前沿問題也都與低維材料及其制備工藝息息相關。然而,目前對于低維非晶材料的研究及相關報道還很少。

2007年,Ediger利用薄膜沉積技術獲得了超穩玻璃,2008年Forrest發現玻璃表面具有類液體性質,此后非晶薄膜與表面的研究逐漸得到了研究者們的關注。由于對納米非晶顆粒的動力學特征以及與相似尺度的晶體材料的差異研究很少。 因此,低維非晶材料動力學行為研究對認識非晶基本科學問題如玻璃轉變,力學行為具有重要意義。

最近,中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心汪衛華研究組在低維非晶顆粒動力學研究中取得進展,博士生曹乘榕等在白海洋研究員的指導下,和谷林研究組合作,通過PLD在非晶氮化硅襯底上沉積Pd80Si20超薄膜,形成不同尺寸的PdSi納米顆粒(如圖1所示)。在電子束輻照條件下,通過高分辨透射電鏡和球差電鏡原位觀測,實時觀測到這種納米顆粒逐漸開始隨機運動,并在顆粒間距小于1nm時發生顆粒之間的碰撞融合,整個過程僅在數秒至幾十秒內完成,如圖2所示。


圖1. PdSi納米顆粒構成的超薄膜。(a)制樣過程與樣品形貌示意圖(b)為球差電鏡下的顆粒狀薄膜形貌,標尺為10nm,(c)納米顆粒的尺寸分布,(d)非晶態與含有晶態結構顆粒的區分,紅色為純非晶顆粒,藍色為含有晶態結構的顆粒。


圖2. 非晶納米顆粒的類液體動力學行為(a)在高分辨電鏡連續拍照條件下拍攝的四個納米顆粒的合并過程,(b)顆粒合并模型示意圖,(c)為納米顆粒粘度與尺寸呈現的冪律關系

根據納米顆粒合并過程的觀察時間t,利用顆粒融合模型:τ=ηd/γ,估算出納米顆粒的粘度值η,τ為合并弛豫時間,γ為顆粒表面能,d為顆粒直徑。研究發現納米顆粒粘度與直徑有冪律關系:η∝d4.2。圖3和圖4展示了非晶顆粒、晶體顆粒及非晶-晶體顆粒合并過程中動力學差異對比。可以看出相同尺寸的非晶顆粒在80秒內完成了整個合并過程,但晶態顆粒到100秒時仍未完全合并,從而觀測到非晶顆粒具有比晶態顆粒更高的動力學活性。


圖3. 同一探測條件下非晶納米顆粒、晶態納米顆粒及非晶-晶態納米顆粒的合并過程比較。紅色圈內為非晶顆粒的合并,藍色圈內為晶態顆粒的合并,黃色圈內為非晶-晶態納米顆粒的合并。


圖4. 球差電鏡觀測圖3中三類納米顆粒合并隨時間演化的詳細過程

觀測到非晶顆粒的粘度為109 Pa·s,比玻璃轉變時的玻璃粘度(1013Pa·s)低4個數量級,其粘滯系數和過冷液體類似,從而證明非晶納米顆粒在室溫下表現出類液體行為。為了進一步確認晶體與非晶顆粒動力學的差異,選取了一對晶體-非晶納米顆粒的合并過程進行觀察,如圖4所示,非晶與晶體納米顆粒的尺寸接近,在兩個顆粒發生接觸后,隨觀察時間我們可以看到非晶顆粒逐漸向晶體顆粒合并并被晶體晶格所外延晶化,最終完全融入了晶體顆粒,整個過程中晶體顆粒的位置基本不變,合并由非晶顆粒向晶體顆粒融合而完成,充分說明了非晶顆粒具有比晶體顆粒更高的動力學活性,同時也為晶體與非晶表面動力學差異的研究提供了直觀的實驗證據。

該項工作的意義:

1.該項工作用高分辨透射電鏡和球差電鏡在室溫下量化觀測了非晶金屬納米顆粒的類液行為,觀測到非晶顆粒進入過冷液態臨界尺寸為3nm, 用實驗展示了低維玻璃材料的內稟流動特性。

2.粘滯系數是液體的重要動力學參數,該工作提供了測量粘滯系數的新方法,量化給出了非晶納米顆粒的粘滯系數為109 Pa.s,比玻璃轉變溫度下塊體金屬玻璃的粘滯系數(1013 Pa.s)低4個數量級,從而提供了金屬玻璃顆粒快動力學的定量實驗證據。

3.給出了粘滯系數和顆粒尺寸的密率關系η∝d4.2, 表明納米顆粒的動力學對顆粒尺寸十分敏感。相對晶體顆粒,非晶顆粒的動力學對尺寸表現得更加敏感。

諸多現代科技應用,包括納米力學、磁性、電子、光學、催化、納米生物醫學都與尺寸效應密切相關,因此尺寸效應在現代納米材料及器件中非常重要,上述研究除了展示納米非晶金屬顆粒的類液行為和快動力學,指明低維玻璃的內稟流動特性外,還對尺寸控制的納米器件的設計開發提供了科學依據。

上述研究工作得到了國家重點研發計劃(2017YFB0701900)、973項目(2015CB856800)、國家自然科學基金項目(11790291,61888102)、中國科學院前沿科學重點研究計劃(QYZDY-SSW-JSC017)和先導B專項(XDB30000000)的支持。相關研究結果最近發表在Nature Communications上(Nat. Commun. 10, 1966 (2019))。

文章鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41467-019-09895-3

來源:中科院物理所

相關信息
   標題 相關頻次
 金屬3D打印重大突破!只需加納米顆粒就能打印高強度鋁合金
 2
 具有自愈功能的金屬納米顆粒超構分子
 2
 史上性能最高的紙質超級電容器,用金屬納米粒子提升能量密度
 2
  MoS2納米“三明治”提升充電電池性能
 1
 "它"號稱能秒殺OLED?
 1
 “金屬材料在線檢測技術和檢測設備”專題報道重磅推出
 1
 “立方芳香性金屬簇合物”研究獲得重大突破
 1
 《Nature》:抗疲勞損傷的高性能工程金屬材料研究獲新思路
 1
 《理化檢驗-物理分冊》“金屬材料疲勞試驗和斷裂試驗”專題報道征稿啟事
 1
 《理化檢驗-物理分冊》“金屬材料在線檢測技術和檢測設備”專題報道征稿啟事
 1
 《自然》《科學》一周(9.25-10.1)材料科學前沿要聞
 1
 0Cr18Ni9Ti不銹鋼表面納米化層的組織和性能
 1
 1-9月材料領域行業成績單:猜猜誰好誰差?
 1
 2018年全國金屬材料光譜分析技術交流會通知(第一輪)
 1
 2018上海國際高性能合金及新型金屬材料展覽會
 1
 2500年不銹的越王勾踐劍,還具有金屬記憶功能,到底是什么先進的制作工藝?
 1
 3D打印走進太空,揭開了人類“太空制造”“自給自足”的序幕
 1
 3D金屬打印批量化生產技術即將在美國實現突破
 1
 5年攻關,我國納米核心技術獲重大突破
 1
 80后博導余倩:打開電鏡下的神秘世界
 1
 Angew. Chem.:柔性多孔材料用于天然氣存儲輸送
 1
 Angew. Chem.:無機礦物活性二氧化硅為基體液相外延生長新型二維層狀硅酸鋅納米光催化材料
 1
 ExAM255的3D打印機:可以處理金屬和塑料
 1
 NASA工程師開發了一種堅不可摧的新型輪胎
 1
 Rosatom開發俄羅斯第一個工業金屬3D打印機用于核工業
 1
 SPEE3D金屬3D打印采用超音速沉積技術
 1
 TNO開發出可同時清理/拋光上百件金屬3D打印件的設備
 1
 比地球壽命還長 納米晶體盤可永久保存信息
 1
 不同尺寸半導體納米晶體 有助生產彩色發光二極管
 1
 超高速激光熔覆技術 為中國綠色制造再添新動能
 1
 超強輕質的新型金屬問世
 1
 超細晶界對金屬腐蝕性能的影響
 1
 沉淀包裹法制備Cu/α-Al2O3納米復合粉體
 1
 川大研制出新型石墨烯橡膠納米復合材料
 1
 創新注塑成型工藝實現塑料與金屬的緊密結合
 1
 純凈銅納米團簇生長及其電催化性能研究取得進展
 1
 從摩擦學角度分析表面粗糙度對金屬/膠粘劑界面拉伸剪切強度的影響
 1
 從顯示器到癌癥治療 納米顆粒物有望引發產業變革
 1
 大咖發聲:2018鋼鐵十宗最!材料人必看!
 1
 帶來智能金屬板材加工最新潮流趨勢的EuroBLECH 2016不容錯過!
 1
 當金屬小將們都穿上“盔甲”
 1
 島津推出首款光電直讀光譜儀 可分析檢測固體金屬
 1
 德國鐵路公司使用3D打印技術維護列車
 1
 第四類二維狄拉克材料——自旋谷耦合狄拉克半金屬
 1
 電感耦合等離子體質譜法測定風電機組齒輪油中鉛、砷、鉻、鎘的含量
 1
 電影《阿麗塔:戰斗天使》裝備材料黑科技大揭秘!
 1
 電子科技大學利用納米纖維有機傳感器實現氫氣檢測
 1
 東北大學金屬單原子復合材料研究取得重要進展
 1
 東華大學俞建勇院士、丁彬研究員團隊在吸濕快干功能紡織品領域取得最新研究成果
 1
 東南大學科研團隊在新型納米界面構建和功能化方面取得重要研究進展
 1
一周新聞 Top 10
新品發布
專題報道
博士娱乐平台 麻将游戏单机版 河南麻将游戏 850棋牌 滚雪球理财骗局揭秘 大乐透开奖结果查询 民生易贷理财平台 竞彩北单足球竞 2019上证指数年线 3d试机号与开奖号 理财app排行榜前十名