Un recente studio condotto dalla City University di Hong Kong (CityU) ha scoperto che i nanonastri d'oro ultrasottili con un'esclusiva fase cristallina esagonale (tipo 4H) mostrano un comportamento "simile a un liquido" sotto riscaldamento, ma la sua struttura cristallina esagonale rimane stabile. Ciò fornisce informazioni sulla stabilità termica di questo nuovo tipo di nanomateriali metallici e facilita lo sviluppo di applicazioni pratiche in futuro.

A causa della sua dimensione caratteristica inferiore a 10 nm, le nanostrutture metalliche ultrasottili hanno proprietà favorevoli diverse dai metalli sfusi e dalle normali nanostrutture metalliche. Sono stati considerati un vettore promettente per la futura nanoelettronica e catalisi. In particolare, nanonastri d'oro ultrasottili con insolita fase esagonale metastabile (tipo 4H), riportato per la prima volta in uno studio precedente del professor Zhang Hua, attualmente Herman Hu Chair Professor of Nanomaterials of Department of Chemistry at CityUin 2015, hanno un potenziale molto più elevato nelle applicazioni plasmoniche e catalitiche come la reazione di evoluzione dell'idrogeno elettrocatalitico rispetto alla solita nanostruttura d'oro con fase cubica a facce centrate (tipo FCC). Eppure queste applicazioni implicano reazioni e funzionamento ad alta temperatura, e la stabilità di fase di questo tipo di nanonastri d'oro sotto riscaldamento non è stata ben studiata.

Recentemente, un gruppo di ricerca guidato dal dottor Lu Yang, Professore Associato del Dipartimento di Ingegneria Meccanica presso CityUand Professor Zhang, collaborato con i ricercatori della McGill University ha svelato con successo le risposte termiche di nanonastri d'oro 4H ultrasottili a temperatura elevata utilizzando tecniche avanzate di microscopia elettronica a trasmissione in situ (TEM).

La forma cambia ma la fase cristallina rimane sotto riscaldamento moderato

Secondo i risultati del team, dopo decine di minuti di moderato riscaldamento a circa 400K (circa 127°C) mediante irraggiamento controllato a fascio di elettroni, i nanonastri d'oro 4H hanno mostrato un evidente cambiamento nella sua forma geometrica, da una forma liscia a una sinusoidale.

Questo cambiamento di forma è chiamato "instabilità di Plateau-Rayleigh, " originariamente significa che un flusso di liquido in caduta tende a ridurre al minimo le loro aree superficiali e quindi a rompersi in un flusso costante di goccioline a causa della tensione superficiale. La forma sinusoidale è uno stadio intermedio di un flusso che si rompe in goccioline.

"Il fenomeno dell'instabilità di Rayleigh è stato originariamente trovato nel fluido, ma è stato scoperto di recente in alcune nanostrutture metalliche riscaldate ad alta temperatura. Eppure per i nanonastri d'oro 4H in questo studio, il fenomeno di instabilità di Rayleigh è stato osservato a bassa temperatura di riscaldamento, " ha detto il Dr. Lu. Ha ulteriormente elaborato che "L'aumento sia della diffusione atomica che dell'ottimizzazione dell'energia superficiale nella struttura metallica su scala nanometrica sono i meccanismi dominanti per la loro evoluzione della geometria dell'instabilità di Rayleigh. In questo caso, per nanometallo ultrasottile con una dimensione inferiore a 10 nm, l'atomo di superficie occupa una proporzione relativamente più alta del suo volume complessivo. Quindi la diffusione degli atomi superficiali ha un impatto molto più significativo sulla sua forma complessiva, rispetto a quello in struttura metallica di dimensioni maggiori (o sfuse). Quindi il cambiamento di forma è molto più significativo quando riscaldato".

Il team ha anche scoperto che la forma a nastro dei nanonastri d'oro possiede una tendenza generale a diventare una forma cilindrica dopo il riscaldamento, una caratteristica distintiva per i campioni di nanonastri, al fine di ridurre l'area superficiale mantenendo costante il volume totale.

Ma ciò che ha sorpreso la squadra è stata, nonostante il suo comportamento di deformazione simile a un liquido dell'instabilità di Rayleigh, la fase metastabile 4H dei nanonastri d'oro era stabile, rimanendo in una struttura cristallina solida senza alcuna transizione di fase durante il riscaldamento moderato. "È in uno stato intrigante di essere sia solido che liquido, dove gli atomi interni rimangono in una struttura ordinata cristallina periodica ma i suoi atomi di superficie possono fluire rapidamente su larga scala e alterare la sua geometria come un liquido, " Il dottor Lu ha descritto.

È la prima volta che l'instabilità di Plateau-Rayleigh viene osservata in nanonastri d'oro ultrasottili e il Dr. Lu credeva che potesse essere un fenomeno universale in altre nanostrutture metalliche ultrasottili, pure.

Cambio di fase irreversibile ad alta temperatura

Il team di ricerca ha studiato ulteriormente la stabilità di fase a temperature più elevate dei nanonastri d'oro 4H. Hanno osservato che i nanonastri d'oro hanno iniziato a cambiare la sua fase da 4H a fase cubica a facce centrate (FCC) gradualmente quando la temperatura era a 800K (circa 527°C). Un ulteriore aumento della temperatura ha accelerato la transizione di fase. Gli interi nanonastri si sono trasformati quasi completamente nella fase FCC quando la temperatura è aumentata a circa 900K (circa 627°C). E la transizione di fase è stata irreversibile quando la temperatura è scesa.

"Questa scoperta fornisce una migliore comprensione della proprietà e della stabilità termica nelle nanostrutture d'oro ultrasottili con l'esclusiva fase 4H. Ciò faciliterebbe lo sviluppo di future applicazioni pratiche nella nanoelettronica, plasmonica, e catalisi che comportano il funzionamento ad alta temperatura, ", ha detto il professor Zhang.

Il team estenderà il proprio studio sulle proprietà della nanostruttura ultrasottile di altri metalli preziosi, come il platino, per esplorare più potenzialità applicative.

I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Questione , intitolato "Effetto termico e instabilità di Rayleigh di nanonastri d'oro esagonali 4H ultrasottili".