新疆理化所在納米液滴生長微觀動力學過程研究獲進展

　　納米材料的成核、生長是材料和化學科學研究的一個基本過程，該過程能夠為設計具有新穎和重要性能的材料提供理論指導。因此，該研究一直是材料和化學研究關注的重要基礎科學問題。在原子尺度觀察納米材料的成核、生長微觀動力學過程則是認識納米材料生長機制的關鍵，但在實驗上很難實現在納米材料生長的同時對其生長微觀動力學過程進行全面和詳細記錄。因此，納米材料生長微觀動力學研究仍是一項具有挑戰性的工作。此外，相對于固態納米粒子，納米液滴的生長微觀動力學研究更是缺乏，盡管其生長動力學過程對化學、環境和生命科學研究有重要的意義。在納米液滴生長研究方面，Gibbs在130年前提出的經典成核理論一直被廣泛接受，但對于納米液滴的生長微觀動力學過程目前仍缺少直接的實驗證據。

　　中國科學院新疆理化技術研究所環境科學與技術研究室科研人員在前期研究中利用光化學還原法實現在氧化物SrBi2Ta2O9基底上原位生長金屬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機制，科研人員利用原位高分辨透射電鏡分析方法，通過高分辨透射電鏡電子束激發SrBi2Ta2O9樣品，實現該材料中金屬Bi的選擇性還原，制備出了液態金屬Bi納米粒子，并在原子尺度上記錄了納米液滴形成的動力學過程，巧妙地實現納米液滴生長操縱的同時跟蹤到納米液滴從無到有的整個微觀動力學過程，首次在實驗上觀察到了金屬納米液滴的成核過程，證實納米液滴的成核過程遠比經典成核過程復雜。研究發現，在電子束激發下被還原的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Stranski?Krastanov 生長模型將液膜轉化成液滴完成成核過程。

　　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過程，觀察到液滴的生長主要通過傳統的單體注入和液滴的結合來實現。該研究為納米液滴的生長微觀動力學過程提供了普適性認識，研究結果對納米液滴的基本物性的理解和應用具有重要意義。

　　相關研究結果于近期發表在ACS Nano上。

　　該研究得到國家自然科學基金、中科院創新國際團隊、中科院“西部之光”、新疆維吾爾自治區杰出青年基金等項目資助。

圖1. 金屬納米液滴成核過程示意圖

圖2. 納米液滴成核過程中不同階段的原位高分辨透射電鏡照片