Un estudio reciente dirigido por la City University of Hong Kong (CityU) ha descubierto que las nanocintas de oro ultrafinas con una fase cristalina hexagonal única (tipo 4H) muestran un comportamiento "similar al líquido" bajo calentamiento. pero su estructura cristalina hexagonal permanece estable. Esto proporciona información sobre la estabilidad térmica de este nuevo tipo de nanomateriales metálicos y facilita el desarrollo de aplicaciones prácticas en el futuro.

Debido a su tamaño de característica de menos de 10 nm, Las nanoestructuras metálicas ultrafinas tienen propiedades favorables distintas de los metales a granel y las nanoestructuras metálicas normales. Se los ha considerado un portador prometedor para la catálisis y la nanoelectrónica del futuro. En particular, nanocintas de oro ultrafinas con una fase hexagonal metaestable inusual (tipo 4H), informó por primera vez en un estudio anterior del profesor Zhang Hua, actualmente Herman Hu Catedrático de Nanomateriales del Departamento de Química en CityU en 2015, tienen un potencial mucho mayor en aplicaciones plasmónicas y catalíticas como la reacción de desprendimiento de hidrógeno electrocatalítico que la nanoestructura de oro habitual con fase cúbica centrada en las caras (tipo FCC). Sin embargo, estas aplicaciones involucran reacciones y funcionamiento a alta temperatura, y la estabilidad de fase de este tipo de nanocintas de oro bajo calentamiento no ha sido bien estudiada.

Recientemente, un equipo de investigación dirigido por el Dr. Lu Yang, Profesor asociado del Departamento de Ingeniería Mecánica de CityU y el profesor Zhang, colaboró ​​con investigadores de la Universidad McGill y reveló con éxito las respuestas térmicas de nanocintas de oro 4H ultrafinas a temperatura elevada mediante el uso de técnicas avanzadas de microscopía electrónica de transmisión (TEM) in situ.

La forma cambia pero la fase cristalina permanece bajo calentamiento moderado

Según los hallazgos del equipo, después de decenas de minutos de calentamiento moderado a alrededor de 400 K (alrededor de 127 ° C) mediante irradiación controlada con haz de electrones, las nanocintas de oro 4H mostraron un cambio obvio en su forma geométrica, de una forma suave a una sinusoidal.

Este cambio de forma se denomina "inestabilidad Plateau-Rayleigh, "originalmente significa que una corriente de líquido que cae tiende a minimizar sus áreas superficiales y, por lo tanto, se rompe en una corriente constante de gotas debido a la tensión superficial. La forma sinusoidal es una etapa intermedia de una corriente que se rompe en gotas.

"El fenómeno de inestabilidad de Rayleigh se encontró originalmente en un fluido, pero se ha descubierto recientemente en algunas nanoestructuras metálicas calentadas a altas temperaturas. Sin embargo, para las nanocintas de oro 4H en este estudio, el fenómeno de inestabilidad de Rayleigh se observó a baja temperatura de calentamiento, ", dijo el Dr. Lu. Explicó además que" El aumento de la difusión atómica y la optimización de la energía superficial en la estructura metálica a nanoescala son los mecanismos dominantes para la evolución geométrica de la inestabilidad de Rayleigh. En este caso, para nano metal ultrafino con un tamaño inferior a 10 nm, El átomo de superficie ocupa una proporción relativamente mayor de su volumen total. Entonces, la difusión de los átomos de la superficie tiene un impacto mucho más significativo en su forma general, que el de la estructura metálica de mayor tamaño (o a granel). Por lo tanto, el cambio de forma es mucho más significativo cuando se calienta ".

El equipo también encontró que la forma de cinta de las nanocintas de oro posee una tendencia general a convertirse en una forma cilíndrica al calentarse. una característica distinta para las muestras de nanocintas, con el fin de reducir la superficie mientras se mantiene el volumen total constante.

Pero lo que sorprendió al equipo fue, a pesar de su comportamiento de deformación similar a un líquido de la inestabilidad de Rayleigh, la fase metaestable 4H de las nanocintas de oro era estable, permaneciendo en una estructura cristalina sólida sin ninguna transición de fase durante el calentamiento moderado. "Se encuentra en un estado intrigante de ser sólido y líquido, donde los átomos internos permanecen en una estructura ordenada cristalina periódica pero sus átomos superficiales pueden fluir rápidamente a gran escala y alterar su geometría como líquido, "El Dr. Lu describió.

Es la primera vez que se observa inestabilidad Plateau-Rayleigh en nanocintas de oro ultrafinas y el Dr. Lu cree que puede ser un fenómeno universal en otras nanoestructuras metálicas ultrafinas. también.

Cambio de fase irreversible a alta temperatura

El equipo de investigación estudió más a fondo la estabilidad de fase a temperaturas más altas de las nanocintas de oro 4H. Observaron que las nanocintas de oro comenzaron a cambiar su fase de 4H a fase cúbica centrada en la cara (FCC) gradualmente cuando la temperatura era de 800K (alrededor de 527 ° C). Un aumento adicional de la temperatura aceleró la transición de fase. Todas las nanocintas se transformaron casi por completo en la fase FCC cuando la temperatura aumentó a alrededor de 900 K (alrededor de 627 ° C). Y la transición de fase fue irreversible a medida que bajó la temperatura.

"Este descubrimiento proporciona una mejor comprensión de la propiedad y la estabilidad térmica en nanoestructuras de oro ultradelgadas con la fase 4H única. Esto facilitaría el desarrollo de futuras aplicaciones prácticas en nanoelectrónica, plasmónicos, y catálisis que implican la operación a alta temperatura, "dijo el profesor Zhang.

El equipo ampliará su estudio sobre las propiedades de la nanoestructura ultrafina de otros metales preciosos, como el platino, para explorar más posibilidades de aplicación.

Los resultados de la investigación se publicaron en la revista científica Importar , titulado "Efecto térmico e inestabilidad de Rayleigh de nanocintas de oro hexagonales 4H ultrafinas".