Een recent onderzoek onder leiding van de City University of Hong Kong (CityU) heeft ontdekt dat de ultradunne gouden nanoribbons met unieke hexagonale (4H-type) kristalfase "vloeistofachtig" gedrag vertonen bij verwarming, maar de hexagonale kristalstructuur blijft stabiel. Dit geeft inzicht in de thermische stabiliteit van dit nieuwe type metalen nanomaterialen en vergemakkelijkt de ontwikkeling van praktische toepassingen in de toekomst.

Vanwege de functiegrootte van kleiner dan 10nm, ultradunne metalen nanostructuren hebben gunstige eigenschappen die verschillen van bulkmetalen en reguliere metalen nanostructuren. Ze worden beschouwd als een veelbelovende drager voor toekomstige nano-elektronica en katalyse. Vooral, ultradunne gouden nanoribbons met ongebruikelijke metastabiele hexagonale (4H-type) fase, eerst gerapporteerd in een eerdere studie van professor Zhang Hua, momenteel Herman Hu Chair Professor of Nanomaterials of Department of Chemistry bij CityUin 2015, hebben een veel hoger potentieel in plasmonische en katalytische toepassingen zoals elektrokatalytische waterstofevolutiereactie dan de gebruikelijke gouden nanostructuur met face-centered cubic (FCC-type) fase. Maar deze toepassingen omvatten reacties en functioneren bij hoge temperatuur, en de fasestabiliteit van dit type gouden nanolinten onder verwarming is niet goed bestudeerd.

Onlangs, een onderzoeksteam onder leiding van dr. Lu Yang, Universitair hoofddocent van de afdeling Werktuigbouwkunde aan CityU en professor Zhang, werkte samen met onderzoekers van McGill University en onthulde met succes de thermische reacties van ultradunne 4H gouden nanoribbons bij verhoogde temperatuur met behulp van geavanceerde in situ transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) technieken.

Vorm verandert maar kristallijne fase blijft onder matige verwarming

Volgens de bevindingen van het team, na tientallen minuten matige verhitting tot ongeveer 400K (ongeveer 127°C) door gecontroleerde bestraling met elektronenstralen, de 4H gouden nanoribbons vertoonden een duidelijke verandering in de geometrische vorm - van een gladde vorm in een sinusoïdale.

Deze vormverandering wordt "Plateau-Rayleigh-instabiliteit, Oorspronkelijk betekende dit dat een vallende stroom vloeistof de neiging heeft om hun oppervlakte te minimaliseren en daarom uiteenvalt in een gestage stroom druppeltjes als gevolg van oppervlaktespanning. De sinusoïdale vorm is een tussenstadium van een stroom die in druppeltjes uiteenvalt.

"Het Rayleigh-instabiliteitsfenomeen werd oorspronkelijk gevonden in vloeistof, maar is onlangs ontdekt in sommige metalen nanostructuren die onder hoge temperatuur zijn verwarmd. Maar voor 4H gouden nanolinten in deze studie, het Rayleigh-instabiliteitsfenomeen werd waargenomen bij lage verwarmingstemperatuur, " zei Dr. Lu. Hij werkte verder uit dat "Toenemende zowel atomaire diffusie als optimalisatie van oppervlakte-energie in de metaalstructuur op nanoschaal de dominante mechanismen zijn voor hun geometrie-evolutie van Rayleigh-instabiliteit. In dit geval, voor ultradun nanometaal met een grootte kleiner dan 10nm, oppervlakte-atoom neemt een relatief groter deel van zijn totale volume in. Dus de diffusie van oppervlakte-atomen heeft een veel grotere invloed op de algehele vorm, dan die in metalen structuur in grotere (of bulk) maat. Daarom is de vormverandering veel belangrijker bij verhitting."

Het team ontdekte ook dat de lintvorm van gouden nanolinten een algemene neiging heeft om bij verhitting een cilindrische vorm te krijgen, een onderscheidend kenmerk voor nanoribbon-monsters, om het oppervlak te verkleinen terwijl het totale volume constant blijft.

Maar wat het team verraste was, ondanks het vloeistofachtige vervormingsgedrag van Rayleigh-instabiliteit, de 4H metastabiele fase van gouden nanoribbons was stabiel, blijven in vaste kristallijne structuur zonder enige faseovergang gedurende de matige verwarming. "Het is in een intrigerende staat van zowel vast als vloeibaar, waar interne atomen in periodieke kristallijne geordende structuur blijven, maar de oppervlakte-atomen snel op grote schaal kunnen stromen en de geometrie ervan kunnen veranderen zoals vloeistof, " beschreef Dr. Lu.

Het is de eerste keer dat Plateau-Rayleigh-instabiliteit wordt waargenomen in ultradunne gouden nanoribbons en Dr. Lu geloofde dat het een universeel fenomeen kan zijn in andere ultradunne metalen nanostructuren, te.

Onomkeerbare faseverandering bij hoge temperatuur

Het onderzoeksteam bestudeerde verder de fasestabiliteit bij hogere temperatuur van de 4H gouden nanoribbons. Ze merkten op dat de gouden nanoribbons geleidelijk hun fase begonnen te veranderen van 4H naar face-centered cubic (FCC) fase toen de temperatuur 800K was (ongeveer 527°C). Verdere temperatuurstijging versnelde de faseovergang. De hele nanoribbons transformeerden bijna volledig naar de FCC-fase toen de temperatuur steeg tot ongeveer 900K (ongeveer 627°C). En de faseovergang was onomkeerbaar toen de temperatuur daalde.

"Deze ontdekking geeft een beter begrip van de eigenschap en thermische stabiliteit in ultradunne gouden nanostructuren met de unieke 4H-fase. Dit zou de ontwikkeling van toekomstige praktische toepassingen in nano-elektronica vergemakkelijken, plasmonica, en katalyse waarbij werking bij hoge temperatuur plaatsvindt, " zei professor Zhang.

Het team zal hun onderzoek naar de eigenschappen van de ultradunne nanostructuur van andere edelmetalen uitbreiden, zoals platina, voor het verkennen van meer toepassingsmogelijkheden.

De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Materie , getiteld "Thermisch effect en Rayleigh-instabiliteit van ultradunne 4H zeshoekige gouden nanoribbons."