Matter：探秘液态金属纳米颗粒的“相分离”丨CellPress对话科学家

相对于宏观材料，纳米颗粒的高表面积与体积比可导致其特性的显著改变。例如，改变纳米颗粒的温度或化学组成可引发相分离，从而形成由壳相包围核相的结构。研究纳米颗粒中的相分离现象对于开发新结构和探索材料新特性非常有用。

镓基液态金属合金，如共晶镓铟（EGaIn）和镓铟锡（Galinstan），具有高电导率和高热导率、可忽略不计的蒸气压、远低于汞的毒性等许多优秀理化性质。近年来对液态金属纳米颗粒在柔性电子、光催化和纳米医学等领域的应用有诸多探索，但它们的物理性质，如在微纳米尺度下的相变行为，仍然未得到充分的研究。

由澳大利亚伍伦贡大学李卫华教授和唐诗杨博士领导的团队进行了对于镓基液态金属合金纳米颗粒的相分离现象的研究，成果于近日发表于Cell Press细胞出版社旗下材料学旗舰期刊Matter上。该工作为液态金属纳米颗粒在高效光催化平台和可控纳米变形结构等领域的应用奠定了基础，有望进一步激励研究人员探索液态金属纳米颗粒独特的性质和广阔的应用前景。

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针对镓基液态金属合金纳米颗粒相分离现象研究工作的主要发现，Cell Press细胞出版社邀请到了论文第一作者唐诗杨博士进行解读。

作者专访

Cell Press：目前国内外科研界对于纳米颗粒相分离现象的科研进展如何？您认为研究该现象有何意义？

唐诗杨博士：相对于宏观材料，纳米颗粒处于固态和分子态之间的中间状态。纳米颗粒的高表面积与体积比使其表面的吉布斯能不可忽略，从而导致其特性的显著改变。一般来说，单一元素无机纳米颗粒的熔点会随着颗粒半径的减小而线性下降。同时，纳米颗粒并不总是均匀的。例如，当改变纳米颗粒的温度或周边化学环境时可引发相变，而一级相变通常会伴有成核和团簇的过程，从而形成由壳相包围核相的结构。尽管近年来对不同纳米颗粒的合成以及其理化性质有诸多的研究，但对于纳米颗粒相变行为的深入理解和准确预测仍然任重道远。然而，研究纳米颗粒中的相变行为对于开发新结构和探索材料新特性非常重要。例如，利用纳米颗粒中的相分离现象，研究人员已经在催化、储能、和能源转化等领域开发了各种创新应用。

通常情况下，单一元素无机纳米颗粒的熔点会随着颗粒的减小而线性下降。然而，镓、锡、铋、铅等金属却不符合这一规律。例如，镓（熔点303K）可表现出金属过冷结晶的现象，并且在一定颗粒尺寸内还能表现出过热融化的现象。最近研究表明，由于镓晶体（γ-Ga）和蓝宝石的晶格结构高度相似，当纳米尺寸的液态半球形镓与蓝宝石晶体衬底接触时，一部分镓能够在在半球形液体壳内结晶成稳定的固态核，从而形成固态核/液态壳结构（Nat. Mater., 2016, 15, 995）。然而，在没有晶体衬底时，目前依然缺乏在球形纳米液态壳内形成在室温下稳定的固态核的方法。

 原位研究态金属纳米颗粒的相分离

Cell Press：能否介绍一下您此次发表的研究，主要成果体现在哪些方面？

唐诗杨博士：我们的团队在此工作中对镓基液态金属合金纳米颗粒的相分离现象进行了充分的研究。该研究发现在没有晶体衬底的情况下，通过降温能够实现纳米颗粒的相分离，从而在球形镓液态金属壳中形成固态的铟核。有趣的是，固态铟核可以在液态镓壳中自由移动。最重要的是，该研究通过理论计算和实验发现增加纳米颗粒内铟的含量可以在室温下维持稳定的固态核/液态壳结构。该研究还发现在经过降温-升温处理后，液态金属纳米颗粒最终可转变为固体雅努斯（Janus）颗粒。同时，该工作还发现了镓铟锡三元合金液态金属纳米颗粒中双晶核的形成。此外，该研究还使用了原位电子能量损失谱（EELS）比较了相分离前后纳米颗粒的光学性质。总之，该工作有望进一步激励研究人员探索液态金属纳米颗粒独特的性质和广阔的应用前景。

双晶核在镓铟锡三元合金液态金属纳米颗粒中的形成

Cell Press：下一步，您是否还会针对镓铟合金液态金属纳米颗粒开展研究工作？能否介绍一下未来的计划和预计达成的目标？

唐诗杨博士：除镓基液态金属合金外，我们团队正准备继续探究更多种类的液态金属合金微纳颗粒（如共晶铋锡铟合金）在不同外界理化环境下的相变行为，并在此基础上利用其相变后的独特性质在高效催化平台、可控纳米机器人、可重构纳米变形结构、以及纳米医学等领域展开应用。

Cell Press：Matter是Cell Press细胞出版社的新期刊。您选择Matter投稿的原因是？在稿件从提交到发表过程中，您对Matter编辑部的评价如何？

唐诗杨博士：作为Cell, Chem和Joule的姊妹刊，我们相信Matter能够成为一个跨越多学科领域的材料学研究顶尖平台，相信我们的工作发表在Matter上后能够被更广泛地认知和推广。此外，Matter的Material Advancement Progression (MAP)分类在众多期刊中是独树一帜的。我觉得这样的分类方法能够快速地使学术界或工业界对所发表的研究工作准确定位并产生兴趣。

而且，Matter编辑部特别快速、高效、专业，在处理稿件和选取审稿人的过程中也极其严谨和负责。编辑部在论文发表后的推广工作也做得十分出色。

关于 唐诗杨 博士

唐诗杨博士分别于2012年和2015年在澳大利亚皇家墨尔本理工大学工程系获得本科（一等荣誉学士）及博士学位，毕业后在美国宾夕法尼亚州立大学和加州大学旧金山分校从事博士后研究。现任澳大利亚伍伦贡大学校长基金研究学者。唐诗杨博士的研究方向主要包括基于智能材料的微型机电系统、基于液态金属的微型致动器和传感器、基于液态金属的微纳颗粒在生物医学中的应用、以及基于微液滴的微流控技术在生物分析中的应用。

相关论文信息

论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊全新材料科学期刊Matter上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

论文标题：

Phase Separation in Liquid Metal Nanoparticles

论文网址：

https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30005-0

DOI:

https://doi.org/10.1016/j.matt.2019.03.001

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