Une étude récente menée par la City University of Hong Kong (CityU) a découvert que les nanorubans d'or ultrafins avec une phase cristalline hexagonale unique (type 4H) présentent un comportement « de type liquide » sous chauffage, mais sa structure cristalline hexagonale reste stable. Cela donne un aperçu de la stabilité thermique de ce nouveau type de nanomatériaux métalliques et facilite le développement d'applications pratiques à l'avenir.

En raison de sa taille de caractéristique inférieure à 10 nm, les nanostructures métalliques ultrafines ont des propriétés favorables différentes des métaux massifs et des nanostructures métalliques régulières. Ils ont été considérés comme un vecteur prometteur pour la future nanoélectronique et la catalyse. En particulier, nanorubans d'or ultrafins avec une phase hexagonale métastable inhabituelle (type 4H), rapporté pour la première fois dans une étude antérieure du professeur Zhang Hua, actuellement Herman Hu Chair Professor of Nanomaterials of Department of Chemistry at CityUin 2015, ont un potentiel beaucoup plus élevé dans les applications plasmoniques et catalytiques comme la réaction électrocatalytique de dégagement d'hydrogène que la nanostructure d'or habituelle avec une phase cubique à faces centrées (type FCC). Or ces applications impliquent des réactions et un fonctionnement à haute température, et la stabilité de phase de ce type de nanorubans d'or sous chauffage n'a pas été bien étudiée.

Récemment, une équipe de recherche dirigée par le Dr Lu Yang, Professeur agrégé du département de génie mécanique à CityU et professeur Zhang, a collaboré avec des chercheurs de l'Université McGill a dévoilé avec succès les réponses thermiques de nanorubans d'or 4H ultrafins à température élevée en utilisant des techniques avancées de microscopie électronique à transmission (MET) in situ.

La forme change mais la phase cristalline reste sous un chauffage modéré

Selon les conclusions de l'équipe, après des dizaines de minutes de chauffage modéré à environ 400K (environ 127°C) par irradiation contrôlée par faisceau d'électrons, les nanorubans d'or 4H ont montré un changement évident dans sa forme géométrique, passant d'une forme lisse à une forme sinusoïdale.

Ce changement de forme est appelé « instabilité du Plateau-Rayleigh, " signifiant à l'origine qu'un flux de liquide tombant a tendance à minimiser leurs surfaces et donc à se briser en un flux constant de gouttelettes en raison de la tension superficielle. La forme sinusoïdale est une étape intermédiaire d'un flux se brisant en gouttelettes.

"Le phénomène d'instabilité de Rayleigh a été trouvé à l'origine dans un fluide mais a été découvert récemment dans certaines nanostructures métalliques chauffées à haute température. Pourtant, pour les nanorubans d'or 4H dans cette étude, le phénomène d'instabilité de Rayleigh a été observé sous basse température de chauffage, ", a déclaré le Dr Lu. Il a en outre précisé que "l'augmentation de la diffusion atomique et de l'optimisation de l'énergie de surface dans la structure métallique à l'échelle nanométrique sont les mécanismes dominants de l'évolution de la géométrie de l'instabilité de Rayleigh. Dans ce cas, pour le nano métal ultrafin d'une taille inférieure à 10 nm, atome de surface occupe une proportion relativement plus élevée de son volume global. La diffusion des atomes de surface a donc un impact beaucoup plus important sur sa forme globale, que celle d'une structure métallique de plus grande taille (ou en vrac). Par conséquent, le changement de forme est beaucoup plus important lorsqu'il est chauffé."

L'équipe a également découvert que la forme de ruban des nanorubans d'or a une tendance générale à devenir une forme cylindrique lors du chauffage, une caractéristique distincte pour les échantillons de nanoruban, afin de réduire la surface tout en maintenant le volume total constant.

Mais ce qui a surpris l'équipe, c'est malgré son comportement de déformation de type liquide de l'instabilité de Rayleigh, la phase métastable 4H des nanorubans d'or était stable, restant dans une structure cristalline solide sans aucune transition de phase tout au long du chauffage modéré. "Il est dans un état intrigant d'être à la fois solide et liquide, où les atomes internes restent dans une structure ordonnée cristalline périodique mais ses atomes de surface peuvent s'écouler rapidement à grande échelle et modifier sa géométrie comme un liquide, " Décrivit le Dr Lu.

C'est la première fois que l'instabilité de Plateau-Rayleigh est observée dans des nanorubans d'or ultrafins et le Dr Lu pense qu'il peut s'agir d'un phénomène universel dans d'autres nanostructures métalliques ultrafines, trop.

Changement de phase irréversible à haute température

L'équipe de recherche a en outre étudié la stabilité de phase à une température plus élevée des nanorubans d'or 4H. Ils ont observé que les nanorubans d'or ont commencé à changer progressivement de phase de 4H à cubique à faces centrées (FCC) lorsque la température était de 800K (environ 527°C). Une augmentation supplémentaire de la température a accéléré la transition de phase. L'ensemble des nanorubans s'est presque complètement transformé en phase FCC lorsque la température a augmenté jusqu'à environ 900K (environ 627°C). Et la transition de phase était irréversible lorsque la température baissait.

« Cette découverte permet de mieux comprendre la propriété et la stabilité thermique des nanostructures d'or ultrafines avec la phase 4H unique. Cela faciliterait le développement de futures applications pratiques en nanoélectronique, plasmonique, et la catalyse qui impliquent un fonctionnement à haute température, " a déclaré le professeur Zhang.

L'équipe étendra son étude sur les propriétés de la nanostructure ultrafine d'autres métaux précieux, comme le platine, pour explorer plus de potentiels d'application.

Les résultats de la recherche ont été publiés dans la revue scientifique Question , intitulé « Effet thermique et instabilité de Rayleigh des nanorubans d'or hexagonaux 4H ultrafins ».