高能X射線束和巧妙的實(shí)驗(yàn)裝置使研究人員能夠觀察到高壓，高溫化學(xué)反應(yīng)，從而首次確定控制金屬鈷中兩種不同納米級(jí)晶體結(jié)構(gòu)的形成。該技術(shù)允許連續(xù)研究鈷納米顆粒，因?yàn)樗鼈儚陌〝?shù)十個(gè)原子的簇生長(zhǎng)到大至5納米的晶體。

該研究為實(shí)時(shí)研究晶體形成的新技術(shù)提供了原理驗(yàn)證，可用于其他材料，包括合金和氧化物。來自該研究的數(shù)據(jù)產(chǎn)生“納米相圖”，顯示控制鈷納米晶體形成時(shí)的結(jié)構(gòu)的條件。

“我們發(fā)現(xiàn)我們確實(shí)可以控制兩種不同晶體結(jié)構(gòu)的形成，并且調(diào)整因子是溶液的pH值，”喬治研究所喬治W.伍德拉夫機(jī)械工程學(xué)院助理教授Hailong Chen說。技術(shù)。“調(diào)整晶體結(jié)構(gòu)使我們能夠控制這些材料的功能和性能。我們相信這種方法也適用于合金和氧化物。”

在塊狀鈷中，晶體形成有利于六方密堆積(HCP)結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗鼓芰孔钚』援a(chǎn)生穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。然而，在納米級(jí)，鈷也形成面心立方(FCC)相，其具有更高的能量。Chen說，這可能是穩(wěn)定的，因?yàn)樾〖{米團(tuán)簇的高表面能影響總的晶體能量。

“當(dāng)團(tuán)簇很小時(shí)，我們有更多的調(diào)諧效應(yīng)，這可以通過OH減去基團(tuán)或其他配體的表面能來控制，”他補(bǔ)充說。“我們可以調(diào)整溶液中OH負(fù)集團(tuán)的濃度，這樣我們就可以調(diào)整表面能，從而調(diào)整集群的整體能量。”

與來自馬里蘭大學(xué)兩個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和材料科學(xué)系的研究人員一起，陳和研究生研究助理薛學(xué)田使用理論，實(shí)驗(yàn)和計(jì)算建模技術(shù)檢查了多態(tài)結(jié)構(gòu)。

實(shí)驗(yàn)上，研究人員減少了乙二醇溶液中的氫氧化鈷，使用氫氧化鉀來改變?nèi)芤旱膒H值。反應(yīng)在高壓下進(jìn)行 - 約1800磅/平方英寸 - 和超過200攝氏度。

在實(shí)驗(yàn)室中，研究人員使用重型鋼制安全殼，只允許他們分析反應(yīng)結(jié)果。為了了解反應(yīng)如何發(fā)生，他們需要實(shí)時(shí)觀察反應(yīng)，這需要開發(fā)一個(gè)足夠小的安全殼，以便在同時(shí)處理高壓和高溫的同時(shí)進(jìn)行X射線透射。

結(jié)果是由高強(qiáng)度石英管制成的反應(yīng)容器，直徑約為1毫米，長(zhǎng)約2英寸。加入氫氧化鈷溶液后，旋轉(zhuǎn)管子以促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)并平均X射線信號(hào)。小型加熱器施加必要的熱能，熱電偶測(cè)量溫度。

Ma和Chen在布魯克海文的國(guó)家同步加速器光源II和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)光子源的四次單獨(dú)行程中使用了該裝置。通過反應(yīng)室到達(dá)二維檢測(cè)器的X射線提供了對(duì)化學(xué)反應(yīng)的連續(xù)監(jiān)測(cè)，這需要大約兩個(gè)小時(shí)才能完成。

“當(dāng)他們開始形成一個(gè)可檢測(cè)的光譜時(shí)，我們捕獲了X射線衍射光譜，并繼續(xù)觀察它，直到晶體鈷形成，”馬解釋說。“我們能夠逐步觀察從初始成核到反應(yīng)結(jié)束的情況。”

通過改變反應(yīng)的pH獲得的數(shù)據(jù)產(chǎn)生納米相圖，其顯示不同組合產(chǎn)生兩種結(jié)構(gòu)的位置。

X射線衍射結(jié)果證實(shí)了馬里蘭大學(xué)A. James Clark工程學(xué)院助理教授Yifei Mo所做的理論預(yù)測(cè)和計(jì)算建模。Mo及其同事Adelaide Nolan和Shuo Zhang使用密度泛函理論來描述晶體在不同條件下如何成核。

鈷表示，該方法可用于生產(chǎn)其他材料的納米相圖，包括更復(fù)雜的合金和氧化物，Chen說。

“我們的目標(biāo)是建立一個(gè)模型，并系統(tǒng)地了解納米級(jí)晶體材料的形成，”他說。“到目前為止，研究人員一直依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)來控制材料的生長(zhǎng)?，F(xiàn)在我們可以提供一個(gè)理論模型，可以系統(tǒng)地預(yù)測(cè)在不同條件下可能出現(xiàn)的特性。”

作為下一步，喬治亞理工學(xué)院的研究人員計(jì)劃研究合金，以進(jìn)一步改進(jìn)理論模型和實(shí)驗(yàn)方法。