微型变形金刚:固体纳米粒子

——科学家意外发现，微小的粒子为了保持内部的晶体结构，可以像液滴一样弯曲。

图片提供：Yan Liang

在金属纳米粒子中发现了一种令人惊讶的现象：从外表看，它们出现了液体液滴，晃动着并且容易改变形状，而它们的内部则保留了一个完全稳定的晶体结构。

这项发现背后的研究小组，麻省理工教授Ju Li表示，这项工作对纳米粒子组件的设计具有重要的影响，比如金属接触分子电子电路。

该研究由一个国际研究小组组成，其中研究人员来自世界各地，包括中国、日本、匹兹堡，以及麻省理工学院。并且这些来自实验室分析和计算机建模的研究结果已经发表在《自然材料》期刊。

实验在室温下进行，使用小于10纳米（比人类头发宽度的1/1000还小）的纯银颗粒，但是这个结果也适用于许多不同的金属。Li是这篇论文的资深作者，也是核能科学与工程学院BEA教授。在他的研究中发现，银具有相对较高的熔点（962摄氏度或者华氏度），所以在它的纳米粒子中观察到任何的类似液态行为都是“相当的意外”，这种新现象在更早期有关锡的论文中就有提到，但是锡的熔点更低。纳米颗粒的应用非常广泛,从电子产品到制药领域，通常这些研究人员“想要形成的形状，他们希望这些形状是稳定的，并且在多种情况下能稳定一段时间。”所以这些变形的发现为许多应用揭示了一个潜在的障碍：例如，如果金或银的纳米板用作电子电路，那么，这些变形将能快速引起电子连接导致短路。

液态仅仅在表面

研究人员使用透射电子显微镜和原子建模获得的详细成像显示，金属纳米粒子的表面看上去像液体一样流动，仅仅是最外层，大概一个或者两个原子的厚度，在任何给定的时间上移动。当这些靠外层的原子在表面移动并且在其他地方沉积时，它们给人的感觉像是发生了更大的运动，但是内部的每个粒子，原子仍然保持完美的排列，就像墙上的砖块一样。

由于纳米粒子内部是结晶状的，所以移动的原子仅仅是最外层或外两层，除了最外面的两层外，其它地方都是晶体状的。

相比之下，如果滴融化为液体状态，晶体结构的排列就会完全被消除，就像一面墙坍塌成了一堆砖块。

从技术上讲，粒子的变形是伪弹性的。这就意味着，压力被撤掉后材料就回到了它的原始形状（像一个挤压的橡皮球），通过压力对抗它的塑性变形，就像在一块可变形的粘土块外部施压保持一个新的形状。

通过界面扩散的塑形变形现象首次被Robert L. Coble提出，他是麻省理工学院陶瓷工程教授，被称为“Coble蠕变。”Li说，“我们看到的现象被称为Coble伪弹性是合适的。”

目前，这种现象科学家们已经理解了，致力于纳米电路或者其他纳米设备的研究人员可以很容易的抵消它。如果纳米粒子通过一层薄得难以察觉的氧化层来保护，那么这种类似液态的行为几乎能完全消除，可以使电路变得更稳定。

特殊的用途

另一方面，在某些用途上这种现象可能是有用的：例如，需要抵挡旋转结构变形的电接触式电路，这种粒子的设计效果可能被证明最可能有用。使用贵金属或者还原环境，在这里氧化层的变形是不稳定的。

这项新发现飞快地面对预期，在某种程度上，由于易于理解的关系，大多数材料机械强度随着尺寸的减小而增加。

“一般来说，越小的尺寸，具有越高的强度，”Li说，但是“在非常小的尺寸下，材料组件变得疲软。会出现一种从‘小而强’到‘小而弱’非常极端的转变。”

他说，这个界限在常温下发生在10纳米，芯片制造商正在尽可能的将电路缩小到这个尺寸。当达到这个极限值时，它会导致纳米组件的强度“一个非常急剧的下降”。这一发现可能也有助于解释在其他小颗粒研究中所见到的一系列异常结果。

“在这篇论文中报道的这项工作是一流的，”Horacio Espinosa说，他是美国西北大学制造业和创业学教授，并没有参与过本项研究。“这些都是非常困难的实验，首次揭示了没有转位的银纳米晶体的形状恢复。……Li对使用原子建模实验的解释中，阐述了最新的实验进展和仿真，比较了不同实验和模拟与空间和时间尺度的关系。这影响了材料结构的许多方面，所以我希望这项工作被高度引用。”

这项研究小组成员包括Jun Sun，Longbing He，Tao Xu，Hengchang Bi和Litao Sun， 这些成员都来自于中国东南大学；麻省理工大学和京都大学的Yu-Chieh Lo；浙江大学的Ze Zhang；以及匹兹堡大学的Scott Mao。这项研究由以下机构提供支持：中国的国家基础研究计划；中国的国家自然科学基金；中国教育部；中国江苏省国家科学基金会；以及美国国家科学基金会。

译自：http://newsoffice.mit.edu/2014/solid-nanoparticles-deform-like-liquid-1012

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