Small:纳米尺度下气泡生长的原位可视化

气泡是指液体或固体内充满气体的空穴,气泡(或起泡现象)广泛存在于自然界和人类的生产生活中。气泡及起泡过程在多孔材料设计、二维材料制备、低维材料性能调制等方面都表现出极高的应用潜力。因此,对纳米尺度下气泡的成核-生长过程的观察和解析将有助于理解相关过程的物理图像,并在指导相关材料的生长或合成方面具有重要的实际意义。但是,气泡的产生和长大是一个相当复杂的过程,涉及到多相、多尺度的多个阶段;特别是在气泡的成核阶段,往往发生在一个较小的时间尺度内。因此,受限于传统的表征技术(如,光学显微镜、原子力显微镜、光谱学表征等)的低时空分辨率,纳米尺度下气泡的成核、生长、合并等动力学过程和机理尚不明确。

近日,南昌大学费林峰教授与湖北大学胡永明教授、香港理工大学Chee Leung Mak教授合作,利用原位透射电子显微技术(In-situ TEM),通过控制电子束辐照下氢氧化物超薄纳米片的解离过程,系统研究了纳米尺度下气泡的成核-生长过程,并结合COMSOL软件模拟深入解析了动力学过程和相关机理。发现在固相起泡过程中,气泡主要通过“三步式”的过程产生和长大:首先,氢氧化物纳米片在电子束辐照下形成包含富镍和贫镍区的双连续调幅结构;其次,贫镍区向富镍区的进一步物质输送导致产生空洞,这些空洞在气体的填充下不断球化并形成气泡核心;最后,气泡不断长大并伴随着邻近气泡的合并。此外,透射电镜观察和计算机模拟也表明,在相邻的气泡之间形成亚稳或不稳定的颈部结构是气泡发生合并的关键步骤,同时超薄二维材料的限域环境对气泡产生的动力学过程也会有重要影响。这些研究结果对于相关材料,尤其是氢氧化物的物理化学反应过程的理解和认识提供了直观的实验基础,对于多孔材料的设计思路方面也具有一定的指导意义。

论文信息:

Visualization of Bubble Nucleation and Growth Confined in 2D Flakes

Zhouyang Zhang, Jun Qiang, Shensong Wang, Ming Xu, Min Gan, Zhenggang Rao, Tingfang Tian, Shanming Ke, Yangbo Zhou, Yongming Hu*, Chi Wah Leung, Chee Leung Mak*, Linfeng Fei*

Small

DOI: 10.1002/smll.202103301

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202103301