Исследование показывает, как контролируется формирование наноразмерных кристаллических структур

В своем первом в своем роде исследовании исследователи использовали оригинальную экспериментальную установку и высокоэнергетические рентгеновские лучи для наблюдения высокотемпературной химической реакции под высоким давлением на установить, как контролируется образование двух различных наноразмерных кристаллических структур в металлическом кобальте.

Хайлонг Чен, доцент в Школе машиностроения им. Джорджа В. Вудраффа, и Сюетян Ма, выпускник Научный сотрудник, показаны в их лаборатории. Исследователи впервые определили, что контролирует образование двух разных наноразмерных кристаллических структур в металлическом кобальте. (Изображение предоставлено: Allison Carter, Georgia Tech)

Этот метод позволил проводить непрерывный анализ наночастиц кобальта по мере их образования из кластеров, включающих десятки атомов, в крупные кристаллы размером 5 нм.

В исследовании предлагается принципиальное доказательство для нового метода анализа образования кристаллов в реальном времени с перспективным применением для других материалов, таких как оксиды и сплавы. Данные исследования создали «нанометрические фазовые диаграммы», которые выявили условия, управляющие структурой нанокристаллов кобальта по мере их роста.

Опубликовано в Журнале Американского химического общества 13 ноября th 2018 г. В исследовании использовались линии синхротронного рентгеновского излучения, поддерживаемые Министерством энергетики США, в Национальном Аргоннском университете. Лаборатория и Брукхейвенская национальная лаборатория. Спонсором проекта выступил Национальный научный фонд.

Мы обнаружили, что действительно можем контролировать образование двух разных кристаллических структур, и что фактором настройки является pH раствора. Настройка кристаллической структуры позволила нам контролировать функциональность и свойства этих материалов. Мы полагаем, что эта методология может также применяться к сплавам и оксидам .

Хайлонг Чен, доцент, Школа машиностроения им. Джорджа Вудраффа, Технологический институт Джорджии

Кристаллическое образование в объемном кобальте предпочитает гексагональную плотную упаковку, или структуру HCP, так как это уменьшает энергию, чтобы произвести стабильную структуру. Однако в наномасштабе кобальт также имеет тенденцию образовывать гранецентрированную кубическую или ГЦК-фазу, которая обладает более высокой энергией. Это может быть стабильным, потому что на общую кристаллическую энергию влияет высокая поверхностная энергия крошечных нанокластеров, сообщил Чен.

« Когда кластеры малы, мы имеем больше эффектов настройки, которые контролируются поверхностной энергией минус группы ОН или других лигандов », – добавил он. « Мы можем настроить концентрацию ОН минус группы в растворе, чтобы мы могли настроить поверхностную энергию и, следовательно, общую энергию кластера

Совместно с учеными из Отдела материаловедения Университета Мэриленда и двух национальных лабораторий Чен и Сюетян Ма, аспирант-исследователь, изучали полиморфные структуры с использованием экспериментальных, теоретических и вычислительных методов моделирования.

На экспериментальном уровне ученые восстановили гидроксид кобальта в растворе этиленгликоля, используя гидроксид калия для изменения pH раствора. Результирующая реакция происходит под высоким давлением – приблизительно 1800 фунтов на квадратный дюйм – и при температуре выше 200 ºC.

В лаборатории тяжелый стальной защитный сосуд позволял исследователям изучать только результаты реакции. Чтобы отследить, как на самом деле произошла реакция, команда должна была увидеть ее в режиме реального времени, для чего потребовалось создать защитный сосуд, достаточно малый, чтобы обеспечить передачу рентгеновского излучения, и в то же время выдерживать высокую температуру и высокое давление. .

Это привело к тому, что реакционный сосуд был изготовлен из высокопрочной кварцевой трубки длиной примерно два дюйма и диаметром около миллиметра. После добавления раствора гидроксида кобальта трубку поворачивали для включения химической реакции, а также для усреднения рентгеновского сигнала. Требуемая тепловая энергия подавалась небольшим нагревателем, а температура измерялась термопарой.

Чен и Ма использовали установку во время четырех индивидуальных поездок к усовершенствованному источнику фотонов в Аргоннской национальной лаборатории и к линиям пучка в Национальном синхротронном источнике света II в Брукхейвенской национальной лаборатории. Непрерывный мониторинг химической реакции был обеспечен рентгеновскими лучами, проходящими через реакционную камеру к двумерному (2D) детектору. Эта химическая реакция заняла около двух часов.

Когда они начали формировать обнаруживаемый спектр, мы захватили спектр дифракции рентгеновских лучей и продолжали наблюдать его, пока не образовался кристаллический кобальт. Нам удалось понемногу наблюдать, что происходило от начального зародышеобразования до конца реакции .

Сюетян Ма, аспирант-исследователь, Технологический институт Джорджии

Данные, полученные путем изменения pH реакции, создали нанометрическую фазовую диаграмму, показывающую, где различные комбинации создали две структуры.

Результаты рентгеновской дифракции подтвердили компьютерное моделирование и теоретические предсказания, сделанные Ифэем Мо, доцентом в Школе инженерии им. А. Джеймса Кларка в Университете Мэриленда. Мо и его коллеги Шуо Чжан и Аделаида Нолан применили теорию функционала плотности, чтобы выяснить, как кристалл зародится при различных условиях.

Успех, достигнутый с кобальтом, показывает, что методология может быть использована для получения нанометрических фазовых диаграмм для других типов материалов, таких как более сложные оксиды и сплавы, сказал Чен.

Наша цель состояла в том, чтобы построить модель и систематическое понимание о формировании кристаллических материалов на наноуровне. До сих пор исследователи полагались на эмпирический дизайн для контроля роста материалов. Теперь мы можем предложить теоретическую модель, которая позволила бы систематически предсказывать, какие виды свойств возможны при различных условиях .

Хайлонг Чен, доцент, Школа машиностроения им. Джорджа Вудраффа, Технологический институт Джорджии

В качестве следующего шага исследовательская группа в Технологии Джорджии намеревается исследовать сплавы, чтобы далее улучшить экспериментальный подход и теоретическую модель.

Помимо уже упомянутых, в исследование также были включены Вэньцянь Сюй из Аргоннской национальной лаборатории и Цзяньмин Бай и Лицзюнь У из Брукхейвенской национальной лаборатории.

Source link