【奈米世界】看穿奈米粒子--鈀粒子內的相變化

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©Reconstructing solute-induced phase transformations within individual nanocrystals,Nature Materials

■隨著觀測儀器的進步,人類越來越有能力知道在小小的奈米尺度內究竟有什麼奇特的現象。

撰文|方程毅

奈米尺度下的世界很特殊已經不是新聞,極小尺度下性質跟以往我們所熟悉的大尺度環境完全不同。但就算我們都知道奈米的獨特性,要真正進行觀測還是極為困難。一直以來科學家無不竭盡所能開發新儀器,試圖一窺這塊沃土,最近美國史丹佛大學材料系Jennifer Dionne教授實驗室便受益於日益先進的測量技術,利用環境穿透式電子顯微鏡(environmental transmission electron microscope (TEM))觀察鈀 (Palladium, Pd) 粒子內部因為吸收氫氣產生的相變化,這個研究結果被發表在《自然‧材料》(Nature Materials)上。

在材料領域中,我們非常重視材料的「相」(phase),相是材料內部原子的排列方式,大家一定都學過水的三相圖,在不同溫壓下水分子會有不同的排列方法,因此會有固、液、氣三相。不同的原子或分子排列方法代表不同的相,但物質的相並不只有固、液、氣三種,就固態材料本身而言,在不同溫壓,也會有不一樣的原子排列,因此材料科學家看到的可不僅僅只有三相圖,而是多相圖。

這項研究的對象──金屬鈀,是一個非常會吸收氫氣的金屬,但奈米鈀粒子吸收氫氣後內部的相變化大家卻不甚清楚。研究團隊利用環境穿透式電子顯微鏡觀察在不同壓力的氫氣環境下,鈀粒子的相變化。穿透式電子顯微鏡簡稱TEM,是材料研究者最強大的終極武器,工作原理非常複雜,在此不多贅述,但總之TEM能夠看到材料的微小結構、組成成分、結晶狀態及原子分佈,解析度可達2奈米,可以說把奈米粒子們看光光。

研究團隊發現,若是鈀粒子內部缺陷很少,也就是說原子排列非常規則時,在氫氣壓力很低的環境下會呈現α相;當氫氣壓力上升到一定程度時,整個粒子會轉成β相,β相便可以容納氫氣。也就是說無氫α相,含氫β相。

但在富含缺陷的鈀粒子內,故事就不一樣了,缺陷代表原子們不那麼照規矩排列,有些原子該出現未出現或是不該出現卻在某些位置出現。一開始缺陷多的鈀粒子也是α相,但隨著氫氣氣壓逐漸上升,鈀粒子會「逐漸」轉成β相,而不是整顆轉成β相,也因此多缺陷的鈀粒子吸收氫氣的能力便不如缺陷較少鈀粒子。

鈀粒子的形狀會決定其缺陷量,研究中針對三種形狀,包括正立方形(cube)、金字塔型(pyramids)及二十面體(icosahedra)。正立方形及金字塔型由於形狀簡單,原子堆疊較容易因此缺陷少,氫氣氣壓上升,α相整顆轉成β相以容納氫氣;二十面體讓原子難以完美堆疊,因此產生很多缺陷,隨著氫氣的氣壓漸增,粒子外部先開始轉成β相,再漸漸往內。

這項研究厲害之處就在於他們能夠把相在粒子如何分佈清楚描繪出來,讓我們更能了解其吸收氫氣的機制,而這套量測方式也能夠使用在其他不同奈米元件系統,讓我們對這小小世界能有更進一步的認識。

論文第一作者Tarun Narayan表示:「這個儀器是現今少數能夠在其工作環境下(此處指含氫)讓我們了解材料行為的其中一種。」論文的另一位作者,同樣也是史丹佛大學材料系的Robert Sinclair表示:「在幾年前我們根本無法想像做這種奈米尺度下即時的觀測,所以這個團隊所展示的技術在材料影像領域上是相當卓越的。」

 

原始論文:Narayan, T. C., Baldi, A., Koh, A. L., Sinclair, R., & Dionne, J. A. (2016). Reconstructing solute-induced phase transformations within individual nanocrystals. Nature Materials.

參考資料:Engineers look inside nanoparticles to explore how their shape improves energy storage

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作者:方程毅 台大材料畢,目前於UCSD博士班掙扎中。科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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