我国科大发现软晶格无机固体中的普拉托-瑞利不安稳性现象

  E，E = S或Se）软晶格离子晶体中发现了相似于传统流体的普拉托-瑞利不安稳性（Plateau-Rayleigh instability）现象，并以此建立了受外表能与界面能一起调控的自约束化学转化新办法，完成了一维周期性同轴异质纳米线的精准普适组成，丰厚和开展了无机纳米异质结构的精准组成办法学。该研讨成果以“Plateau-Rayleigh instability in soft-lattice inorganic solids”为题宣布在《美国化学会志》上(J. Am. Chem.Soc.2024,doi/10.1021/jacs.4c11866)。论文的一起榜首作者为我国科学技术大学博士研讨生邵振潮、江贤贇和张崇，通讯作者为我国科学技术大学俞书宏院士、江慧军副研讨员和合肥工业大学李毅教授。

  日常日子中，咱们常会见到水龙头的水柱在流速下降时断成串珠状的液滴，这便是19世纪发现的一种典型的普拉托-瑞利不安稳性现象。它通常指一维接连流体在外表张力效果下开裂为一串体积安稳的分立液滴的进程（图1a）。经过一百多年的开展，现如今研讨者们已将普拉托-瑞利不安稳性拓宽到了纳米标准上，并发现其广泛存在于包含气体吸附物、液体、聚合物以及熔融态金属纳米线年，俞书宏院士课题组报导了聚合物系统中的瑞利不安稳性现象（J. Am. Chem.Soc.2008,130, 5650-5651;Adv. Funct. Mater.2016,26, 5086-5092）；2015年，哈佛大学Charles M. Lieber教授等在气固反响系统中研讨了一维Si和Ge纳米线基底上的的瑞利不安稳性现象，成功制备出了周期性同轴Si和Ge纳米线年，香港城市大学陆洋团队在加热条件下调查到了熔融态Au纳米线展现出中的瑞利不安稳性现象。但是关于传统无机固体，其刚性晶格的约束导致原子之间难以经过重复的成键/断键来确保晶格具有相似液体的流动性（图1b），因而现在这种瑞利不安稳性在无机固体中仍难以完成。

  图1.液相和固相中普拉托-瑞利不安稳性的示意图。（a）两种典型的液相普拉托-瑞利不安稳性：滴落的液滴以及包裹在纤维上的液珠；（b）传统刚性晶格晶体；（c）晶格离子晶体中的普拉托-瑞利不安稳性。

  研讨人员依据银基软晶格离子晶体中的弱原子相互效果以及高阳离子迁移率特性，提出这类软晶格资料有望完成离子键的动态开裂与重组，然后作为一种“软粘性固体”体现相似于传统流体的普拉托-瑞利不安稳性行为（图1c）。首要，研讨人员运用阳离子交流办法在预先组成的Co9S8纳米线上包覆了一层亚纳米厚的Ag2S外层，形成了Co9S8@Ag2S一维共形核壳纳米线。随后，该亚纳米标准的Ag2S壳层则在热力学驱动下自发地去潮湿化，形成了-[Co9S8@Ag2S]-Co9S8-周期性同轴异质纳米线a）。研讨人员进一步结合原位与非原位透射电子显微镜捕捉了这一自约束演化进程（图2b），定量描绘了其转化动力学，充分证明其契合固相瑞利不安稳性现象。此外，研讨人员在Ag2Se壳层以及ZnS、ZnSe等不同纳米线衬底上也调查到了相似的现象，证明了这一发现的普适性。这种高阶杂乱纳米异质结构可作为优异的化学模板用于选择性集成更多功能性的纳米结构单元，为此，研讨人员以-[Co9S8@Ag2S]-Co9S8-周期性同轴异质纳米线为例进行展现，将其作为反响中间体，经过进一步的拓扑改变，可控构筑了周期性异质纳米线c-d）。

  图2.（a）银基硫属化合物中的普拉托-瑞利不安稳性：经过阳离子交流反响构建的Co9S8@Ag2S核壳纳米线进一步自约束性转化为-[Co9S8@Ag2S]-Co9S8-周期性同轴异质纳米线。（b）原位加热试验捕捉银基硫属化合物中的普拉托-瑞利不安稳性；（c-d）拓扑改变可控构筑周期性异质纳米线资料库。

  为了研讨该固相瑞利不安稳性发生的内涵机制，研讨人员与我国科学技术大学侯中怀教授、江慧军副研讨员团队协作，进行了有限元分析与分子动力学模仿研讨。有限元分析依据成果得出，该改变进程受系统的外表能与界面能一起调控，跟着转化进程进行，系统外表能升高，界面能下降，系统终究从亚稳态改变为了热力学安稳态（图3a）。而分子动力学模仿成果为，比较于体相Ag2S，亚纳米厚的Ag2S薄层具有更高的离子分散速率，来确保了晶格的流动性（图3c-d）。因而，在热力学与动力学的一起影响下，这类软晶格无机固体体现出了相似于传统流体的普拉托-瑞利不安稳性行为。

  图3.固相瑞利不安稳性现象的热力学与动力学研讨。（a）不同构型周期性同轴异质纳米线的应变能、外表能以及总自由能改变；（b-c）分子动力学模仿中Ag+的均方位移（MSD）以及分散系数（D）。

  该作业拓宽了无机固体中的瑞利不安稳性概念，为制备纳米颗粒以及具有清晰组分、结构、界面和空间摆放的高阶周期性纳米结构供给了簇新思路，一起也为往后探究其它软晶格固体（如钙钛矿等）中的类流体行为与可控图画化供给了或许。

  该作业得到新柱石研讨员项目、国家重点研制方案、我国科学院战略性先导科技专项基金、国家自然科学基金重点项目、我国科学院青年立异促进会、安徽省严重基础研讨项目等赞助。特别感谢本校理化科学试验中心透射电镜原位试验渠道对文章中原位透射加热试验的支撑。