Китайские ученые разработали новый универсальный термомеханический метод наномоделирования твердых металлов. Процесс создания литых наностержней оказался эффективнее с уменьшением диаметра поры. Предложенный метод позволяет создавать наноструктуры из практически любых металлов и сплавов, которые найдут применения в катализе, сенсорных материалах, микроэлектронике и многих других областях.

Работа опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщается в редакционной статье Physics.

Литые изделия используются человечеством с древних времен, причем этим способом можно изготовить даже изделия миллиметрового размера. Однако после уменьшения форм до нанометровых размеров, изготовление металлических наноструктур становится невозможным. Обычно литыми делают наноматериалы из легкоплавких и достаточно вязких веществ – термопласты, гели и стекла.

Металлы в жидком состоянии слишком текучие и реакционноспособные для этого метода. К тому же, при уменьшении диаметра поры из-за капиллярного эффекта металл не может полностью заполнить форму и стержни получаются короткими. А современные методы создания нитевидных нанокристаллов, такие как литография, требуют больших затрат времени и средств.

Ученые из Уханьского университета под руководством Зе Лю (Ze Liu) предложили и изучили механизм термомеханического наномоделирования металлов в кристаллической форме. При повышенной температуре, исследователи продавливали (под давлением сотен мегапаскалей) металлические диски в твердые формы с множеством несквозных отверстий различных диаметров, от пяти до 320 нанометров. После охлаждения, металл со стержнями вынимали из формы и измеряли их длину.

Примеры полученных наностержней из золота, никеля, ванадия, железа и различных сплавов (e-i). / Ze Liu et al., / Physical Review Letters, 2019

Оказалось, что отношение длины стержня к его диаметру увеличивалось с уменьшением размеров пор, в то время как другие методы «выращивания» наностержней, наоборот, вызывают больше сложностей при создании структур меньших размеров. Авторам с успехом удалось применить свой метод для создания стержней из серебра, железа, ванадия, никеля и некоторых сплавов. Показательно то, что исследователям удалось создать наностержни из серебра длинной 1700 нанометров и диаметром пять нанометров.

Механизм роста кристаллических металлических наностержней. Вверху изображения туннельного электронного микроскопа наностержней золота диаметром 50 нанометров, внизу – схематическое изображение роста стержня в результате диффузии, вызванной градиентом давления. / Ze Liu et al., / Physical Review Letters, 2019

Авторы также подтвердили расчетами свои предположения о механизме происходящих процессов. Пластические деформации металлов в больших порах происходят под действием движения зерен кристалла, а при уменьшении диаметра формы до наноразмеров, начинает превалировать диффузия из-за градиента концентраций вакансий в кристалле, которые возникают вследствие градиента давления. Именно поэтому, как утверждают авторы статьи, при уменьшении размера пор, стержни получаются длиннее.