| ?。ㄖ袊垠w技術網/栗潔瓊）近日科學家們在金屬納米粒子里發現了一個令人驚訝的現象：從外面看它們像液體水滴，會搖晃并隨時改變形狀，而它們內部則是超級穩定的晶體結構。由美國麻省理工學院的李巨(Ju Li)教授帶領的研究小組表示這項工作可以對納米科技里部件的設計產生重要的啟示意義，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，而它們內部則是超級穩定的晶體結構
這項發表在期刊《自然材料》上的研究結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、匹茲堡大學和麻省理工學院的研究人員。這些實驗是在室溫環境下進行的，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的1/1000。但研究結果應該可以應用在很多不同的金屬上，BEA核科學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該“相當意外”。在利用錫進行的早期研究里已經觀察到這一新現象的暗示，李解釋道。
納米粒子的應用包含從電子學到藥物學等一系列領域，一般來說，這些領域的研究人員“希望形成形狀，且這些形狀要非常穩定，在有些情況下最好可以持續幾年。”因此這些變形的發現揭示了很多這類應用面臨的潛在障礙：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行的細節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，它們產生了更大運動量的錯覺——但在每一顆粒子內部，原子保持完美排列，就像墻上的磚塊一樣。
“內部是結晶的，因此唯一移動光的原子是第一個或者第二個單層。”李說道。“除了第一、二層，其它各處都是結晶透明的。”相比之下，如果水滴融化成液態，晶體結構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，后者是一堆已經變形的泥土，它會繼續保持新的形狀。
界面擴散的可塑性的現象最先是由美國麻省理工學院陶瓷工程學教授羅伯特•科博(Robert /L. Coble)提出的，它也被稱為科布爾蠕變(Coble creep)。“因此我們將所觀察到的靈活的稱為科布爾偽彈性。”李說道。
現在這一現象已經被科學家們理解，研究納米電路或者其他納米設備的科研人員可以輕易的進行補償。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，從而實現穩定的電路。
另一方面，這一現象對于其它應用也很有用：例如在電觸頭必須經受旋轉重構的電路里，最大化這種效應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，實現氧化層形成的失穩。
這一發現公然挑戰了某些研究預期，這部分原因是對大部分材料的關系的理解已經很成熟，也即材料的機械強度會隨著體積的減少而增加。“整體來說，體積越小，強度越大。”李說道。但“當體積非常小時，材料組件可能變得非常微弱，從‘越小越強’到‘越小越弱’的轉變可能非常突兀。”
而這一臨界點大約發生在室溫環境下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。當到達這一臨界點，它會引起納米部件強度的“急劇下降”。
這項發現還可以幫助解釋在其它小型粒子研究中發現的一系列異常結果。“這篇研究非常優秀。” 美國西北大學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。“這些實驗非常困難，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模，對比實驗和計算機仿真所取得的近期進展。這對材料機械力學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。”
這項研究的合作作者包括中國東南大學的孫軍(Jun Sun)、賀龍兵(Longbing He)、徐濤(Tao Xu)、畢恒昌(Hengchang Bi)和孫立濤(Litao Sun);美國麻省理工學院和日本京都大學的羅宇杰( Yu-Chieh Lo );浙江大學的張澤(Ze Zhang);匹茲堡大學的斯考特•毛(Scott Mao)。這項研究得到了中國國家重點基礎研究發展計劃、中國國家自然科學基金會、中國教育部、中國江蘇省國家科學基金會和美國國際科學基金會的支持。
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