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原子“不匹配”创造纳米“哑铃”

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像雪花一样,纳米粒子进来各种各样的形状和大小。纳米粒子的几何形状通常与其化学组成有关,从其催化性质到其作为半导体组分的潜力来确定其行为。

纳米“哑铃”的两个视图:这张照片结合了一个纳米哑铃的透射电子显微镜图像和一个朝向方向的黄金域。在几何相位分析中确定了右侧图像中的哑铃种子和金域。信用:ANL通过Flickr,CC BY-NC-SA 2.0。

由于美国能源部(DOE)阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的一项新研究,研究人员更接近了解由多种材料(称为异质结构纳米粒子)构成的纳米粒子形成的过程。这种被称为非均相成核的过程,就是在窗玻璃上形成缩合珠的机理。

异构结构纳米粒子可用作催化剂和先进的能量转换和存储系统。通常,这些纳米颗粒是由一种材料的微小“种子”创建的,在另一种材料的顶部生长了这种材料。在这项研究中,阿贡研究人员注意到,这两种材料的原子排列方式的差异对纳米粒子的形状有很大的影响。美国能源部科学用户设施办公室纳米材料中心的纳米科学家埃莱娜·舍甫琴科说:“在我们开始这个实验之前,当一种材料在另一种材料上生长的时候,界面上发生了什么并不完全清楚。

在这项研究中,研究人员观察到铂和金组成的纳米粒子的形成。研究人员从铂金种子开始,在其周围生长金子。起初,金子均匀地覆盖铂晶种的表面,形成一种被称为“核壳”的纳米粒子。然而,随着更多的金沉积,它开始不均匀地生长,形成哑铃状结构。

由于美国能源部科学办公室使用的先进光子源(APS)提供的最先进的X射线分析,研究人员将哑铃形成原因确定为“晶格失配”,其中两种材料中原子之间的间距不对齐。

“从本质上讲,您可以将晶格失配视为底层上有一排较小的框,顶层上有较大的框。当你试图将较大的盒子放入一个较小的盒子的空间时,它会产生巨大的压力,“阿贡物理学家李秉都说。

虽然晶格失配只是纳米的几分之一,但随着金层在铂层上形成,层叠效应也会累积。这种不匹配可以由前两层金原子处理 - 产生核壳效应 - 但事后证明太多无法克服。 Argonne博士后研究人员Soon Gu Kwon说:“原子的排列在两种材料中是相同的,但原子之间的距离是不同的。 “最终,这变得不稳定,并且金的生长变得分布不均匀”。

随着黄金在种子纳米粒子的一侧继续堆积,少量的粒子“滑落”在纳米粒子的一侧,如沙粒在沙山的一侧,形成哑铃形状。

阿贡研究的优势来自研究人员在现实条件下使用APS对原料进行观测的能力 。阿贡(Argonne)物理学家Byeongdu Lee说:“这是人们第一次能够在真实条件下实时研究这种纳米粒子异质成核过程的动力学。 “两种X射线技术的结合使我们能够在原子级别和纳米级别观察材料,这使我们对纳米颗粒如何形成和转换有了很好的认识。”所有基于X射线的结论在芝加哥伊利诺伊大学Robert Klie教授的小组中使用原子分辨率显微镜进一步证实了这一研究。

对纳米粒子形成的这种分析将有助于为形成不同的新材料奠定基础, 可控物业,根据舍甫琴科。她说:“为了设计材料,你必须了解这些过程是如何在非常基础的层面上发生的。

来源:ANL

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