Science | 借助泽攸科技原位TEM见证单纳米簇的可逆相变-泽攸科技

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Science | 借助泽攸科技原位TEM见证单纳米簇的可逆相变

发布时间：

2026-07-29

在纳米尺度下实现对固液相变过程的精确调控是材料科学领域的核心追求。传统结晶核化理论主要将其描述为体积吉布斯自由能下降与界面能惩罚之间的竞争关系。然而在诸多自然现象与纳米材料合成中，相变往往发生于几何受限空间内，此时临界核与周围界面的相互作用会从根本上改变相变的能量图景，显著影响相态稳定性、晶型选择以及织构的形成。

尽管几何受限相变具有重要意义，但对临界尺寸纳米簇进行实时动态观察与精确操控仍面临巨大挑战。一方面，临界核处于自由能能垒顶端的热力学极不稳定状态，极难被孤立与稳定观察。另一方面，施加可动态调控的纳米级几何受限需要极高精度的机械操纵技术。此外将这种纳米级机械操控与原子分辨率的原位透射显微技术无缝集成，以实时捕捉无定形、液态和晶态之间的相变演变过程，更是该领域有待突破的技术瓶颈。

针对上述问题，由武汉理工大学、苏州实验室等组成的团队利用泽攸科技的原位TEM测量系统进行了系统研究，该团队首次在原子尺度下实现了对纳米间隙中单个临界尺寸铋纳米簇的精准操控与实时观测，揭示了纵横比而非体积是决定几何受限下相态可逆转变与晶体织构选择的核心机制。

标题：Geometrically driven reversible solid-liquid phase transition at the atomic scale
期刊：Science
网址：https://doi.org/10.1126/science.aed6019

研究团队针对受限空间下临界核相变难以原位捕获的难题，提出了电压驱动与外延生长相结合的铋纳米簇定点制备方法。利用聚焦离子束暴露碲化铋晶体的特定表面，使范德华间隙垂直于表面排列，作为铋阳离子快速扩散的天然通道。在施加偏压作用下，铋离子沿范德华间隙迁移并积累，在界面处外延生长出高纯度的铋晶层，进而过量的铋原子发生横向扩散，形成孤立的铋纳米液滴。当纳米液滴生长至临界半径时，会根据经典核化理论凝固为具有多面体特征的结晶纳米颗粒，这为后续开展受限条件下的单颗粒相变研究奠定了高可靠性的样品基础。

在探究受限空间相变演化的过程中，研究团队借助泽攸科技的透射电镜原位样品杆实现了原子级精度的机械与电学调控。通过该原位样品杆中压电控制的针尖，研究人员不仅诱导铋离子迁移生成孤立纳米簇，还能以纳米级精度动态改变针尖与基底之间的间隙距离，将铋纳米簇限制在可调控的受限空间内。原位透射电镜观测表明，在该设备的精准操控下，受限的铋纳米簇能够在准无定形纳米圆盘、单晶纳米线以及液态纳米液滴三种相态之间发生高度可逆的转变，精准证实了空间受限对相转变路径的决定性影响。

研究进一步揭示了纵横比而非体积是决定受限纳米簇相态稳定性的核心热力学描述符。当铋纳米线被压缩至纵横比小于0.4时，巨大的界面能与原子级表面粗糙度迫使原子重新排列，形成由界面适应性驱动的准无定形结构；而当纳米线被拉伸至纵横比大于1.5时，侧面表面积的急剧增加触发了向液态纳米液滴的自发熔化。结合自由能热力学模型与机器学习力场分子动力学模拟，团队构建了包含准无定形、单晶与液态的三相相图，证实了相边界在宽体积范围内具有高度复现性，打破了传统体积主导的相变认知。

除了相态调控外，空间受限还诱导铋纳米线产生了显著的晶体学织构选择效应。统计分析与晶体学投影表明，未受限的纳米颗粒在空间中呈现自由的三维翻转，而受限纳米线的转动被严格限制为围绕固定生长轴的单轴旋转，且其特定晶面优先与基底保持平行。密度泛函理论计算进一步表明，这种优选生长方向能够暴露极低表面能的侧面晶面，使其侧面表面能甚至低于液态铋的表面能，从而从根本上消除了结晶核化能垒，阐明了几何受限与各向异性表面能协同调控晶体织构的热力学机制。

泽攸科技作为中国本土的高端精密仪器公司，是原位电子显微镜表征解决方案的一流供应商，推出的PicoFemto系列的原位透射电子显微镜表征解决方案，陆续为国内外用户的重磅研究成果提供了技术支持。下图为该研究成果中用到的泽攸科技原位TEM样品杆产品：