| ?。ㄖ袊垠w技術(shù)網(wǎng)/栗潔瓊）近日科學(xué)家們在金屬納米粒子里發(fā)現了一個(gè)令人驚訝的現象：從外面看它們像液體水滴，會(huì )搖晃并隨時(shí)改變形狀，而它們內部則是超級穩定的晶體結構。由美國麻省理工學(xué)院的李巨(Ju Li)教授帶領(lǐng)的研究小組表示這項工作可以對納米科技里部件的設計產(chǎn)生重要的啟示意義，例如分子電子電路的金屬接觸點(diǎn)。
從外面看它們像液體水滴，會(huì )搖晃并隨時(shí)改變形狀，而它們內部則是超級穩定的晶體結構
這項發(fā)表在期刊《自然材料》上的研究結合了實(shí)驗室分析和計算機建模，這支國際小組包含了來(lái)自中國、日本、匹茲堡大學(xué)和麻省理工學(xué)院的研究人員。這些實(shí)驗是在室溫環(huán)境下進(jìn)行的，使用了直徑不超過(guò)10納米的純銀粒子——寬度不超過(guò)人類(lèi)頭發(fā)的1/1000。但研究結果應該可以應用在很多不同的金屬上，BEA核科學(xué)與工程系教授的李這樣說(shuō)道。
銀具有相對較高的熔點(diǎn)——大約為962攝氏度——因此納米粒子里觀(guān)測到的任何類(lèi)似液體的行為應該“相當意外”。在利用錫進(jìn)行的早期研究里已經(jīng)觀(guān)察到這一新現象的暗示，李解釋道。
納米粒子的應用包含從電子學(xué)到藥物學(xué)等一系列領(lǐng)域，一般來(lái)說(shuō)，這些領(lǐng)域的研究人員“希望形成形狀，且這些形狀要非常穩定，在有些情況下最好可以持續幾年。”因此這些變形的發(fā)現揭示了很多這類(lèi)應用面臨的潛在障礙：例如，如果用于電子電路的金或者銀納米系帶，這些變形會(huì )很快引起電路連接障礙。
研究人員利用透射式電子顯微鏡和原子建模進(jìn)行的細節成像揭示了雖然金屬納米粒子的外部移動(dòng)類(lèi)似于液體，但只有相當于1-2個(gè)原子厚度的最外層在特定時(shí)間是移動(dòng)的。隨著(zhù)這些外層原子層在表面移動(dòng)并在其它處重新堆積，它們產(chǎn)生了更大運動(dòng)量的錯覺(jué)——但在每一顆粒子內部，原子保持完美排列，就像墻上的磚塊一樣。
“內部是結晶的，因此唯一移動(dòng)光的原子是第一個(gè)或者第二個(gè)單層。”李說(shuō)道。“除了第一、二層，其它各處都是結晶透明的。”相比之下，如果水滴融化成液態(tài)，晶體結構的有序性將完全丟失，就像一整面墻坍塌成分散的磚塊。
從技術(shù)層面講，粒子的變形是擬彈性的，這意味著(zhù)在壓力移除后材料可以回歸之前的原始形狀，就像被壓縮的橡膠球，這與可塑性是相對的，后者是一堆已經(jīng)變形的泥土，它會(huì )繼續保持新的形狀。
界面擴散的可塑性的現象最先是由美國麻省理工學(xué)院陶瓷工程學(xué)教授羅伯特•科博(Robert /L. Coble)提出的，它也被稱(chēng)為科布爾蠕變(Coble creep)。“因此我們將所觀(guān)察到的靈活的稱(chēng)為科布爾偽彈性。”李說(shuō)道。
現在這一現象已經(jīng)被科學(xué)家們理解，研究納米電路或者其他納米設備的科研人員可以輕易的進(jìn)行補償。如果納米粒子得到難以察覺(jué)的稀薄氧化層的保護，那么類(lèi)似液體的行為就可以完全消除，從而實(shí)現穩定的電路。
另一方面，這一現象對于其它應用也很有用：例如在電觸頭必須經(jīng)受旋轉重構的電路里，最大化這種效應的粒子或可能被證明是非常有用的，利用惰性金屬或者在還原性氣氛下，實(shí)現氧化層形成的失穩。
這一發(fā)現公然挑戰了某些研究預期，這部分原因是對大部分材料的關(guān)系的理解已經(jīng)很成熟，也即材料的機械強度會(huì )隨著(zhù)體積的減少而增加。“整體來(lái)說(shuō)，體積越小，強度越大。”李說(shuō)道。但“當體積非常小時(shí)，材料組件可能變得非常微弱，從‘越小越強’到‘越小越弱’的轉變可能非常突兀。”
而這一臨界點(diǎn)大約發(fā)生在室溫環(huán)境下10納米厚度時(shí)——隨著(zhù)電路的縮小，微芯片制造商正在逐漸逼近這個(gè)極限大小。當到達這一臨界點(diǎn)，它會(huì )引起納米部件強度的“急劇下降”。
這項發(fā)現還可以幫助解釋在其它小型粒子研究中發(fā)現的一系列異常結果。“這篇研究非常優(yōu)秀。” 美國西北大學(xué)機械工程教授奧拉西奧•埃斯皮諾薩(Horacio Espinosa)這樣說(shuō)道，他并沒(méi)有參與這項研究。“這些實(shí)驗非常困難，它們首次揭示了銀納米粒子在沒(méi)有造成混亂的情況下恢復形狀…李利用原子建模對這些實(shí)驗的解釋論證了在時(shí)間和空間規模，對比實(shí)驗和計算機仿真所取得的近期進(jìn)展。這對材料機械力學(xué)的很多方面都具有啟示意義，因此我猜想這篇文章會(huì )被高度引用。”
這項研究的合作作者包括中國東南大學(xué)的孫軍(Jun Sun)、賀龍兵(Longbing He)、徐濤(Tao Xu)、畢恒昌(Hengchang Bi)和孫立濤(Litao Sun);美國麻省理工學(xué)院和日本京都大學(xué)的羅宇杰( Yu-Chieh Lo );浙江大學(xué)的張澤(Ze Zhang);匹茲堡大學(xué)的斯考特•毛(Scott Mao)。這項研究得到了中國國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展計劃、中國國家自然科學(xué)基金會(huì )、中國教育部、中國江蘇省國家科學(xué)基金會(huì )和美國國際科學(xué)基金會(huì )的支持。
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