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鳳凰科技訊 北京時間10月14日消息 科學(xué)日報報道，近日科學(xué)家們在金屬納米粒子里發(fā)現(xiàn)了一個令人驚訝的現(xiàn)象：從外面看它們像液體水滴，會搖晃并隨時改變形狀，而它們內(nèi)部則是超級穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)。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(shè)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。

從外面看它們像液體水滴，會搖晃并隨時改變形狀，而它們內(nèi)部則是超級穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)

這項發(fā)表在期刊《自然材料》上的研究結(jié)合了實驗室分析和計算機建模，這支國際小組包含了來自中國、日本、匹茲堡大學(xué)和麻省理工學(xué)院的研究人員。這些實驗是在室溫環(huán)境下進(jìn)行的，使用了直徑不超過10納米的純銀粒子——寬度不超過人類頭發(fā)的1/1000。但研究結(jié)果應(yīng)該可以應(yīng)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道。

銀具有相對較高的熔點——大約為962攝氏度——因此納米粒子里觀測到的任何類似液體的行為應(yīng)該“相當(dāng)意外”。在利用錫進(jìn)行的早期研究里已經(jīng)觀察到這一新現(xiàn)象的暗示，李解釋道。

納米粒子的應(yīng)用包含從電子學(xué)到藥物學(xué)等一系列領(lǐng)域，一般來說，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(wěn)定，在有些情況下最好可以持續(xù)幾年?！币虼诉@些變形的發(fā)現(xiàn)揭示了很多這類應(yīng)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(xì)節(jié)成像揭示了雖然金屬納米粒子的外部移動類似于液體，但只有相當(dāng)于1-2個原子厚度的最外層在特定時間是移動的。隨著這些外層原子層在表面移動并在其它處重新堆積，它們產(chǎn)生了更大運動量的錯覺——但在每一顆粒子內(nèi)部，原子保持完美排列，就像墻上的磚塊一樣。

“內(nèi)部是結(jié)晶的，因此唯一移動光的原子是第一個或者第二個單層。”李說道?！俺说谝?、二層，其它各處都是結(jié)晶透明的。”相比之下，如果水滴融化成液態(tài)，晶體結(jié)構(gòu)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，它會繼續(xù)保持新的形狀。

界面擴散的可塑性的現(xiàn)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，它也被稱為科布爾蠕變（Coble creep）?！耙虼宋覀儗⑺^察到的靈活的稱為科布爾偽彈性?！崩钫f道。

現(xiàn)在這一現(xiàn)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(shè)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的稀薄氧化層的保護，那么類似液體的行為就可以完全消除，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的電路。

另一方面，這一現(xiàn)象對于其它應(yīng)用也很有用：例如在電觸頭必須經(jīng)受旋轉(zhuǎn)重構(gòu)的電路里，最大化這種效應(yīng)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，實現(xiàn)氧化層形成的失穩(wěn)。

這一發(fā)現(xiàn)公然挑戰(zhàn)了某些研究預(yù)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隨著體積的減少而增加?！罢w來說，體積越小，強度越大。”李說道。但“當(dāng)體積非常小時，材料組件可能變得非常微弱，從‘越小越強’到‘越小越弱’的轉(zhuǎn)變可能非常突兀?！?/p>

而這一臨界點大約發(fā)生在室溫環(huán)境下10納米厚度時——隨著電路的縮小，微芯片制造商正在逐漸逼近這個極限大小。當(dāng)?shù)竭_(dá)這一臨界點，它會引起納米部件強度的“急劇下降”。

這項發(fā)現(xiàn)還可以幫助解釋在其它小型粒子研究中發(fā)現(xiàn)的一系列異常結(jié)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）這樣說道，他并沒有參與這項研究?！斑@些實驗非常困難，它們首次揭示了銀納米粒子在沒有造成混亂的情況下恢復(fù)形狀…李利用原子建模對這些實驗的解釋論證了在時間和空間規(guī)模，對比實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被高度引用?！?/p>

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基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃、中國國家自然科學(xué)基金會、中國教育部、中國江蘇省國家科學(xué)基金會和美國國際科學(xué)基金會的支持。（編譯/嚴(yán)炎劉星）