强大的X射线束解开了纳米级晶体形成的秘密

高能X射线束和巧妙的实验装置使研究人员能够观察到高压，高温化学反应，从而首次确定控制金属钴中两种不同纳米级晶体结构的形成。该技术允许连续研究钴纳米颗粒，因为它们从包括数十个原子的簇生长到大至5纳米的晶体。

该研究为实时研究晶体形成的新技术提供了原理验证，可用于其他材料，包括合金和氧化物。来自该研究的数据产生“纳米相图”，显示控制钴纳米晶体形成时的结构的条件。

“我们发现我们确实可以控制两种不同晶体结构的形成，并且调整因子是溶液的pH值，”乔治研究所乔治W.伍德拉夫机械工程学院助理教授Hailong Chen说。技术。“调整晶体结构使我们能够控制这些材料的功能和性能。我们相信这种方法也适用于合金和氧化物。”

在块状钴中，晶体形成有利于六方密堆积(HCP)结构，因为它使能量最小化以产生稳定的结构。然而，在纳米级，钴也形成面心立方(FCC)相，其具有更高的能量。Chen说，这可能是稳定的，因为小纳米团簇的高表面能影响总的晶体能量。

“当团簇很小时，我们有更多的调谐效应，这可以通过OH减去基团或其他配体的表面能来控制，”他补充说。“我们可以调整溶液中OH负集团的浓度，这样我们就可以调整表面能，从而调整集群的整体能量。”

与来自马里兰大学两个国家实验室和材料科学系的研究人员一起，陈和研究生研究助理薛学田使用理论，实验和计算建模技术检查了多态结构。

实验上，研究人员减少了乙二醇溶液中的氢氧化钴，使用氢氧化钾来改变溶液的pH值。反应在高压下进行 - 约1800磅/平方英寸 - 和超过200摄氏度。

在实验室中，研究人员使用重型钢制安全壳，只允许他们分析反应结果。为了了解反应如何发生，他们需要实时观察反应，这需要开发一个足够小的安全壳，以便在同时处理高压和高温的同时进行X射线透射。

结果是由高强度石英管制成的反应容器，直径约为1毫米，长约2英寸。加入氢氧化钴溶液后，旋转管子以促进化学反应并平均X射线信号。小型加热器施加必要的热能，热电偶测量温度。

Ma和Chen在布鲁克海文的国家同步加速器光源II和阿贡国家实验室的高级光子源的四次单独行程中使用了该装置。通过反应室到达二维检测器的X射线提供了对化学反应的连续监测，这需要大约两个小时才能完成。

“当他们开始形成一个可检测的光谱时，我们捕获了X射线衍射光谱，并继续观察它，直到晶体钴形成，”马解释说。“我们能够逐步观察从初始成核到反应结束的情况。”

通过改变反应的pH获得的数据产生纳米相图，其显示不同组合产生两种结构的位置。

X射线衍射结果证实了马里兰大学A. James Clark工程学院助理教授Yifei Mo所做的理论预测和计算建模。Mo及其同事Adelaide Nolan和Shuo Zhang使用密度泛函理论来描述晶体在不同条件下如何成核。

钴表示，该方法可用于生产其他材料的纳米相图，包括更复杂的合金和氧化物，Chen说。

“我们的目标是建立一个模型，并系统地了解纳米级晶体材料的形成，”他说。“到目前为止，研究人员一直依靠经验设计来控制材料的生长。现在我们可以提供一个理论模型，可以系统地预测在不同条件下可能出现的特性。”

作为下一步，乔治亚理工学院的研究人员计划研究合金，以进一步改进理论模型和实验方法。