高能x射线和巧妙的实验装置使研究人员得以观察高压、高温的化学反应，从而首次确定是什么控制了金属钴中两种不同纳米级晶体结构的形成。这项技术使得钴纳米颗粒能够从数十个原子的团簇生长到5纳米大小的晶体，从而进行持续的研究。
高能x射线和巧妙的实验装置使研究人员得以观察高压、高温的化学反应，从而首次确定是什么控制了金属钴中两种不同纳米级晶体结构的形成。这项技术使得钴纳米颗粒能够从数十个原子的团簇生长到5纳米大小的晶体，从而进行持续的研究。
这项研究为实时研究晶体形成的新技术提供了原理证明，并有可能应用于其他材料，包括合金和氧化物。研究数据生成了“纳米相图”，显示了钴纳米晶体形成时控制其结构的条件。
这项研究于11月13日发表在《美国化学学会杂志》(Journal of The American Chemical Society)上，由美国国家科学基金会(National Science Foundation)赞助，使用了美国能源部(Department of energy)在布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)和阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)资助的同步加速器x射线束流。
“我们发现，我们确实可以控制这两种不同晶体结构的形成，而调节因素是溶液的pH值，”佐治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)乔治w伍德拉夫机械工程学院(George W. Woodruff School of Mechanical Engineering)助理教授陈海龙(Hailong Chen)说。“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。
在大块钴中，晶体的形成倾向于六角形紧密包裹(HCP)结构，因为它能使能量最小化，从而形成稳定的结构。然而，在纳米尺度上，钴也形成面心立方(FCC)相，具有更高的能量。这是稳定的，因为小纳米团簇的高表面能影响总晶体能量，陈说。
“当簇很小时，我们有更多的调节效果，这是由OH -基团或其他配体的表面能量控制的，”他补充说。“我们可以调整溶液中OH -基团的浓度，这样我们就可以调整表面能量，从而调整整个簇的能量。”
陈和研究生助理马学田(音)与来自两个国家实验室和马里兰大学材料科学系的研究人员合作，利用理论、实验和计算建模技术对这些多态结构进行了研究。
在实验中，研究人员用氢氧化钾改变溶液的pH值，还原了乙二醇溶液中的氢氧化钴。这种反应发生在高压下——大约1800磅每平方英寸——200摄氏度以上。
在实验室里，研究人员使用了一个沉重的钢制安全壳，只允许他们分析反应结果。为了追踪反应是如何发生的，他们需要实时观察它，这就需要开发出一种足够小的安全壳，以便在处理高压和高温的同时进行x射线的传输。
其结果是一种反应容器，由直径约1毫米、长约2英寸的高强度石英管制成。加入氢氧化钴溶液后，旋转管，既方便了化学反应，又平均了x射线信号。一个小加热器提供必要的热能，热电偶测量温度。
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上，马和陈分别在四次不同的旅行中使用了这种装置。x射线通过反应室进入二维探测器，对化学反应进行连续监测，耗时约两小时。
“当它们开始形成可检测的光谱时，我们捕获了x射线衍射光谱，并继续观察，直到钴晶体形成，”马解释说。“我们能够一步一步地观察从初始成核到反应结束发生了什么。”
通过改变反应的pH值得到的数据生成了纳米相图，显示了不同的组合产生了这两种结构。
x射线衍射结果证实了马里兰大学詹姆斯·克拉克工程学院助理教授莫一飞的理论预测和计算模型。Mo和他的同事Adelaide Nolan和Shuo Zhang利用密度泛函理论描述了晶体在不同条件下如何成核。
陈说，钴的成功表明，这种方法可以用于为其他材料(包括更复杂的合金和氧化物)生成纳米相图。
他说:“我们的目标是建立一个模型，系统地了解纳米尺度上晶体材料的形成。”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来系统地预测在不同条件下可能存在的性质
下一步，佐治亚理工学院的研究人员计划研究合金，进一步完善理论模型和实验方法。
——文章发布于2019年1月7日
