En nyligen genomförd studie ledd av City University of Hong Kong (CityU) har upptäckt att de ultratunna guldnanorbanden med unik hexagonal (4H-typ) kristallfas visar "vätskeliknande" beteende under uppvärmning, men dess hexagonala kristallina struktur förblir stabil. Detta ger insikt i den termiska stabiliteten hos denna nya typ av metalliska nanomaterial och underlättar utvecklingen av praktiska tillämpningar i framtiden.

På grund av dess funktionsstorlek på mindre än 10nm, ultratunna metallnanostrukturer har gynnsamma egenskaper som skiljer sig från bulkmetaller och vanliga metalliska nanostrukturer. De har betraktats som en lovande bärare för framtida nanoelektronik och katalys. Särskilt, ultratunna guld nanoband med ovanlig metastabil hexagonal (4H-typ) fas, rapporterades först i en tidigare studie av professor Zhang Hua, för närvarande Herman Hu ordförande professor i nanomaterial vid Institutionen för kemi vid CityUin 2015, har mycket högre potential i plasmoniska och katalytiska tillämpningar som elektrokatalytisk väteutvecklingsreaktion än den vanliga guldnanostrukturen med ansiktscentrerad kubisk fas (FCC-typ). Ändå involverar dessa applikationer reaktioner och funktion vid hög temperatur, och fasstabiliteten för denna typ av guld nanoband under uppvärmning har inte studerats väl.

Nyligen, en forskargrupp ledd av Dr Lu Yang, Docent vid institutionen för maskinteknik vid CityU och professor Zhang, samarbetat med forskare vid McGill University framgångsrikt avslöjat de termiska svaren från ultratunna 4H guld nanoband vid förhöjd temperatur genom att använda avancerad in situ transmissionselektronmikroskopi (TEM) tekniker.

Formen förändras men den kristallina fasen förblir under måttlig uppvärmning

Enligt teamets resultat, efter tiotals minuter av måttlig uppvärmning vid cirka 400K (cirka 127°C) genom kontrollerad elektronstrålebestrålning, 4H guld nanobanden visade en tydlig förändring i sin geometriska form - från en slät form till en sinusformad.

Denna förändring i form kallas "Plateau-Rayleigh instabilitet, " ursprungligen betyder att en fallande ström av vätska tenderar att minimera deras ytareor och därmed bryta in i en stadig ström av droppar på grund av ytspänning. Den sinusformade formen är ett mellanstadium av en ström som bryter upp i droppar.

"Rayleighs instabilitetsfenomen hittades ursprungligen i vätska men har upptäckts i vissa metalliska nanostrukturer som nyligen värmts upp under hög temperatur. Men för 4H guld nanoband i denna studie, Rayleighs instabilitetsfenomen observerades under låg uppvärmningstemperatur, " sa Dr. Lu. Han utvecklade vidare att "Ökande av både atomär diffusion och ytenergioptimering i nanoskala metallstruktur är de dominerande mekanismerna för deras geometriutveckling av Rayleigh-instabilitet. I detta fall, för ultratunn nanometall med en storlek mindre än 10nm, ytatom upptar en relativt högre andel av dess totala volym. Så diffusionen av ytatomer har en mycket mer betydande inverkan på dess övergripande form, än i metallstruktur i större (eller bulk) storlek. Därför är formförändringen mycket mer betydande när den värms upp."

Teamet fann också att bandformen hos guld nanoband har en allmän tendens att bli en cylindrisk form vid uppvärmning, en distinkt funktion för nanobandprover, för att minska ytan samtidigt som den konstanta totala volymen bibehålls.

Men det som förvånade laget var, trots dess vätskeliknande deformationsbeteende av Rayleigh-instabilitet, den 4H metastabila fasen av guld nanoband var stabil, kvar i fast kristallin struktur utan någon fasövergång under den måttliga uppvärmningen. "Det är i ett spännande tillstånd av att vara både fast och flytande, där inre atomer förblir i periodisk kristallin ordnad struktur men dess ytatomer kan flöda snabbt i stor skala och ändra dess geometri som vätska, " Dr Lu beskrev.

Det är första gången som Plateau-Rayleigh instabilitet observeras i ultratunna guld nanoband och Dr Lu trodde att det kan vara ett universellt fenomen i andra ultratunna metalliska nanostrukturer, för.

Irreversibel fasförändring vid hög temperatur

Forskargruppen studerade vidare fasstabiliteten vid högre temperatur av 4H guld nanorribbons. De observerade att guld nanobanden började ändra sin fas från 4H till ansiktscentrerad kubisk (FCC) fas gradvis när temperaturen var vid 800K (cirka 527°C). Ytterligare temperaturökning påskyndade fasövergången. Hela nanobanden omvandlades nästan helt till FCC-fasen när temperaturen ökade till cirka 900K (cirka 627°C). Och fasövergången var irreversibel när temperaturen sjönk.

"Denna upptäckt ger en bättre förståelse av egenskapen och termisk stabilitet i ultratunna guld nanostrukturer med den unika 4H-fasen. Detta skulle underlätta utvecklingen av framtida praktiska tillämpningar inom nanoelektronik, plasmonics, och katalys som involverar drift i hög temperatur, " sa professor Zhang.

Teamet kommer att utöka sin studie om egenskaperna hos den ultratunna nanostrukturen hos andra ädla metaller, som platina, för att utforska fler applikationspotentialer.

Forskningsresultaten publicerades i den vetenskapliga tidskriften Materia , med titeln "Termisk effekt och Rayleigh-instabilitet av ultratunna 4H hexagonala guld nanoband."