新疆理化所在纳米液滴生长微观动力学过程研究获进展

　　纳米材料的成核、生长是材料和化学科学研究的一个基本过程，该过程能够为设计具有新颖和重要性能的材料提供理论指导。因此，该研究一直是材料和化学研究关注的重要基础科学问题。在原子尺度观察纳米材料的成核、生长微观动力学过程则是认识纳米材料生长机制的关键，但在实验上很难实现在纳米材料生长的同时对其生长微观动力学过程进行全面和详细记录。因此，纳米材料生长微观动力学研究仍是一项具有挑战性的工作。此外，相对于固态纳米粒子，纳米液滴的生长微观动力学研究更是缺乏，尽管其生长动力学过程对化学、环境和生命科学研究有重要的意义。在纳米液滴生长研究方面，Gibbs在130年前提出的经典成核理论一直被广泛接受，但对于纳米液滴的生长微观动力学过程目前仍缺少直接的实验证据。

　　中国科学院新疆理化技术研究所环境科学与技术研究室科研人员在前期研究中利用光化学还原法实现在氧化物SrBi2Ta2O9基底上原位生长金属Bi纳米粒子（Chem. Mater. 2013, 25, 2045−2050）。为了在原子尺度上研究Bi纳米粒子的微观生长机制，科研人员利用原位高分辨透射电镜分析方法，通过高分辨透射电镜电子束激发SrBi2Ta2O9样品，实现该材料中金属Bi的选择性还原，制备出了液态金属Bi纳米粒子，并在原子尺度上记录了纳米液滴形成的动力学过程，巧妙地实现纳米液滴生长操纵的同时跟踪到纳米液滴从无到有的整个微观动力学过程，首次在实验上观察到了金属纳米液滴的成核过程，证实纳米液滴的成核过程远比经典成核过程复杂。研究发现，在电子束激发下被还原的Bi原子首先在固体表面生成一层单原子层厚的膜，然后形成纳米簇，再聚集成纳米液膜，最后通过Stranski−Krastanov 生长模型将液膜转化成液滴完成成核过程。

　　此外，研究人员还利用高分辨电镜记录了成核后纳米液滴的生长过程，观察到液滴的生长主要通过传统的单体注入和液滴的结合来实现。该研究为纳米液滴的生长微观动力学过程提供了普适性认识，研究结果对纳米液滴的基本物性的理解和应用具有重要意义。

　　相关研究结果于近期发表在ACS Nano上。

　　该研究得到国家自然科学基金、中科院创新国际团队、中科院“西部之光”、新疆维吾尔自治区杰出青年基金等项目资助。

图1. 金属纳米液滴成核过程示意图

图2. 纳米液滴成核过程中不同阶段的原位高分辨透射电镜照片