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原位透射電鏡和分子動力模擬法 揭示五重孿晶形成機理

儀表研發 2020年01月08日 13:05:11 來源:儀表網人氣:27246
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  【儀表網 儀表研發】近日,中國科學院金屬研究所鈦合金研究部助理研究員周剛(共同一作)、副研究員王皞與美國太平洋西北國家實驗室教授Li Dongsheng(通訊作者)、博士宋淼(共同一作)以及密歇根大學博士魯寧(共同一作)等人合作,采用高分辨原位透射電鏡和分子動力學模擬方法,在原子尺度揭示了兩種五重孿晶的形成機理。相關研究成果于2020年1月3日在《科學》(Science)在線發表。
 
  作為一種重要的孿晶結構,五重孿晶在晶體生長、生物醫學、光學和催化等領域均有著廣泛的應用。比如,五重孿晶結構所引入的晶格畸變可以增加納米線的楊氏模量;五重孿晶銅納米線在還原CO2制備甲醇的過程中表現出優異的催化性能等。盡管自G. Rose于1831年在金中發現五重孿晶以來,科研人員已在近百種材料中發現了五重孿晶結構并開展了大量的基礎和應用研究,但由于無法在原子尺度直接觀察形成過程,其形成機理至今仍無定論。
 
  孿晶是指兩個晶體(或一個晶體的兩部分)沿一個公共晶面(即特定取向關系)構成鏡面對稱的位向關系,這兩個晶體就稱為"孿晶",此公共晶面就稱孿晶面。
 
  在晶體生長和制備過程中,晶體會沿某種對稱操作共生,形成孿晶。孿晶界面所分隔開的兩部分晶體間以特定的取向關系相交接,從而構成新的附加對稱元素。如反映面、旋轉軸或對稱中心。但這些對稱操作一定是獨立的,不能與晶體結構所屬空問群中的任何對稱操作相關聯。同時,這些新加入的對稱操作也必須是結晶學允許的。對于單斜晶系來說,其對稱特征是在b軸方向上存在著一個二次旋轉軸或反映對稱面。該反映面是獨立的,其反映對稱操作使晶體的兩個部分進一步關聯,得到孿晶。
 
  此次研究人員發現,在~3nm Au、Pt和Pd納米顆粒的聚集生長過程中,納米顆粒可以通過顆粒間的取向粘附(Orientation attachment,OA)形成起始的兩個孿晶界面,然后經原子表面擴散和高能晶界形成及分解(機理1)或不全位錯的滑移(機理2)形成五重孿晶結構。兩種形成機理主要取決于顆粒取向粘附后所形成的表面結構。如果經取向粘附后,形成的凹面夾角接近90°,則為機理1;如果形成的凹面夾角接近150°,則為機理2,其具體的形成過程如下:
 
  機理1:通過取向粘附、原子表面擴散以及隨后的高能晶界的形成和分解。首先,經顆粒取向粘附過程形成起始的兩個Σ3孿晶界面以及一個~90°凹面;這種較大曲率的凹面將促使表面原子擴散到該處進而形成第三個Σ3孿晶界和Σ27高能晶界;最終通過孿晶極附近零應變孿晶的形核及生長,Σ27分解成另外兩個Σ3孿晶界并形成五重孿晶結構。該機理可形成較為對稱的五重孿晶結構。
 
  機理2:通過取向粘附和不全位錯的滑移或晶界分解。當取向粘附過程形成的凹面夾角為~150°時,通過在表層原子中不全位錯的滑移或Σ9晶界的分解即可實現五重孿晶的形成。不全位錯的繼續滑移可促使孿晶界面向晶粒內部遷移,但也伴隨著晶格應變能增大,因此該機理主要形成不對稱的五重孿晶結構。在后續的生長過程中,五重孿晶對稱性的演化可通過與其他納米顆粒的聚集長大實現。
 
  納米顆粒,又稱納米塵埃,納米塵末,指納米量級的微觀顆粒。它被定義為至少在一個維度上小于100納米的顆粒。小于10納米的半導體納米顆粒,由于其電子能級量子化,又被稱為量子點。
 
  納米顆粒是一種人工制造的、大小不超過100納米的微型顆粒。它的形態可能是乳膠體、聚合物、陶瓷顆粒、金屬顆粒和碳顆粒。納米顆粒越來越多地應用于醫學、防曬化妝品等中。
 
  納米顆粒能夠滲透到膜細胞中,并沿神經細胞突觸、血管和淋巴血管傳播。與此同時,納米顆粒有選擇性地積累在不同的細胞和一定的細胞結構中。納米顆粒的強滲透性不僅僅為藥物的使用提供了有效性,同時,也對人體健康提出了潛在威脅。但至今,對納米顆粒對人體健康危害的研究還很少。
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