新疆理化所在納米液滴生長(zhǎng)微觀動(dòng)力學(xué)過(guò)程研究中取得進(jìn)展

　　納米材料的成核、生長(zhǎng)是材料和化學(xué)科學(xué)研究的一個(gè)基本過(guò)程，該過(guò)程能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)具有新穎和重要性能的材料提供理論指導(dǎo)。因此，該研究一直是材料和化學(xué)研究關(guān)注的重要基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題。在原子尺度觀察納米材料的成核、生長(zhǎng)微觀動(dòng)力學(xué)過(guò)程則是認(rèn)識(shí)納米材料生長(zhǎng)機(jī)制的關(guān)鍵，但在實(shí)驗(yàn)上很難實(shí)現(xiàn)在納米材料生長(zhǎng)的同時(shí)對(duì)其生長(zhǎng)微觀動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行全面和詳細(xì)記錄。因此，納米材料生長(zhǎng)微觀動(dòng)力學(xué)研究仍是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。此外，相對(duì)于固態(tài)納米粒子，納米液滴的生長(zhǎng)微觀動(dòng)力學(xué)研究更是缺乏，盡管其生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程對(duì)化學(xué)、環(huán)境和生命科學(xué)研究有重要的意義。在納米液滴生長(zhǎng)研究方面，Gibbs在130年前提出的經(jīng)典成核理論一直被廣泛接受，但對(duì)于納米液滴的生長(zhǎng)微觀動(dòng)力學(xué)過(guò)程目前仍缺少直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

　　中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所環(huán)境科學(xué)與技術(shù)研究室科研人員在前期研究中利用光化學(xué)還原法實(shí)現(xiàn)在氧化物SrBi2Ta2O9基底上原位生長(zhǎng)金屬Bi納米粒子（Chem. Mater. 2013, 25, 2045−2050）。為了在原子尺度上研究Bi納米粒子的微觀生長(zhǎng)機(jī)制，科研人員利用原位高分辨透射電鏡分析方法，通過(guò)高分辨透射電鏡電子束激發(fā)SrBi2Ta2O9樣品，實(shí)現(xiàn)該材料中金屬Bi的選擇性還原，制備出了液態(tài)金屬Bi納米粒子，并在原子尺度上記錄了納米液滴形成的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，巧妙地實(shí)現(xiàn)納米液滴生長(zhǎng)操縱的同時(shí)跟蹤到納米液滴從無(wú)到有的整個(gè)微觀動(dòng)力學(xué)過(guò)程，首次在實(shí)驗(yàn)上觀察到了金屬納米液滴的成核過(guò)程，證實(shí)納米液滴的成核過(guò)程遠(yuǎn)比經(jīng)典成核過(guò)程復(fù)雜。研究發(fā)現(xiàn)，在電子束激發(fā)下被還原的Bi原子首先在固體表面生成一層單原子層厚的膜，然后形成納米簇，再聚集成納米液膜，最后通過(guò)Stranski−Krastanov 生長(zhǎng)模型將液膜轉(zhuǎn)化成液滴完成成核過(guò)程。

　　此外，研究人員還利用高分辨電鏡記錄了成核后納米液滴的生長(zhǎng)過(guò)程，觀察到液滴的生長(zhǎng)主要通過(guò)傳統(tǒng)的單體注入和液滴的結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。該研究為納米液滴的生長(zhǎng)微觀動(dòng)力學(xué)過(guò)程提供了普適性認(rèn)識(shí)，研究結(jié)果對(duì)納米液滴的基本物性的理解和應(yīng)用具有重要意義。

　　相關(guān)研究結(jié)果于近期發(fā)表在ACS Nano上。

　　該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院創(chuàng)新國(guó)際團(tuán)隊(duì)、中科院“西部之光”、新疆維吾爾自治區(qū)杰出青年基金等項(xiàng)目資助。

圖1. 金屬納米液滴成核過(guò)程示意圖 

圖2. 納米液滴成核過(guò)程中不同階段的原位高分辨透射電鏡照片