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项目名称:纳米尺度下材料的奇异相变行为

申报单位:材料科学与工程学院   负责人:王勇

项目简介

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1.   项目研究背景:
纳米材料因其优异的性能和独特的结构,目前已成为材料研究领域最重要的方向之一。如何发现并解读这些新颖的物理现象,尤其是异于传统尺度下的新行为,是当前研究的重点,然而传统的研究手段无法满足上述需要。该项目发展了新的原位表征技术对纳米尺度下材料的相变行为进行了系统研究,发现了纳米尺度下二级相变过程中两相共存新现象。
2.   项目负责人及研究团队简介:(如为参与的合作研究项目,请说明在其中作出的重要贡献)
    项目负责人王勇教授:2006年于中科院物理研究所获博士学位,随后在澳大利亚昆士兰大学进行博士后研究。2010年到2011年,在美国加州大学洛杉矶分校进行访问研究,2012年回国加入浙江大学。目前主要从事纳米环境催化材料的研究,共发表SCI论文140余篇,其中3篇Nature Nanotechnology, 1篇Nature Materials,40余篇发表在影响因子10以上的高水平期刊上。现为浙大电镜中心主任,中国电镜学会理事,材料物理专委会副主任,中国材料学会青委会理事。获2012年青年千人及2013年香港求是科技基金会“求是杰出青年学者奖”。研究团队包括张泽院士,美国张绳百教授,硅酸盐所陈立东教授、史迅教授,澳洲孙成华教授。 
3.   项目特色和主要创新点:
不同于体材料的相变理论,纳米材料的相变需要考虑表面的贡献。如何可控引入表面贡献是研究和理解纳米尺度下相变机制的关键。项目自主设计楔形纳米样品成功引入梯度表面贡献,对纳米尺度下Cu2Se材料的相变行为进行了精确控温的原位研究,项目取得如下创新性成果:
(1)首次发现二级相变材料Cu2Se构成的楔形纳米晶体中两相可以热力学稳定共存、对温度响应灵敏,并实现了相界面的原子尺度操控。
(2) 基于朗道理论和纳米尺度下表面效应建立了新的热力学模型,成功解释了上述异于块体材料的新现象。
4.   主要标志性成果:
论文Nanoscale Behavior and Manipulation of the Phase Transition in Single Crystal Cu2Se,2018年11月13日在线发表于Advanced Materials。
5.纳米材料是当前材料研究的热点之一,相变行为可以提供调控材料性能的重要方法。项目对纳米材料相变行为的研究实现了传统理论和纳米尺度效应的结合,不仅突破了传统的认识,还为微纳器件的设计、加工和应用提供了新的思路。该项目成果发表后不久美国《科学》杂志就对我们的研究成果进行了热点点评[Science 363 (2019) 496]。肯定了我们团队发现的二级相变两相共存新现象,而这在体材料中是不允许的。他进一步认为该工作展现了如何利用其异于块材的特性和方法对纳米材料进行调制,并为优化其物理性能提供了有趣的新途径,“…They found evidence of two-phase coexistence, which is not allowed for the bulk material. This is likely explained by the surface effects of their wedge-shaped nanocrystal…This demonstration shows how nanomaterials may be tailored in distinct ways compared to their bulk counterparts, offering interesting new routes to optimize their physical properties”
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科学解读

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纳米显神奇一山容二虎——纳米尺度下的相变行为
相变物质一般有高温相和低温相,根据传统理论,有的物质高低温两相可以同时存在(一级相变),比如冰水混合物,但有些物质的高低温相不能同时存在(二级相变),比如我们要研究的Cu2Se材料,它就像一山不容二虎一样,要么全是低温相,要么全是高温相。那么有没有可能突破传统的理论,实现Cu2Se的两相共存?针对这个挑战,我们进行了深入探索,发现适于体材料的传统理论没有考虑到表面的贡献,那么如果引入表面贡献会发生什么呢?如图1所示,一般的,体材料低温相加热到相变温度点就会全部变成高温相。我们巧妙地将Cu2Se材料制备成楔形的纳米样品后,惊奇地发现在相变点附近的一定温度范围内,低温相和高温相同时存在了!这显然违背了体材料的相变行为,其原因就是纳米尺度下,比表面积增大,表面贡献不能被忽视了。由于楔形样品表面贡献随其厚度而改变,从而改变了同一材料局域的相变温度,比如site 1和site 2有不同的相变温度,实现了两相共存,并且表面贡献的越大,其相变温度越低,所以高温相变是从边缘开始并逐渐向内推进。这样,我们实现了二级相变材料的两相共存,并通过精确控温又实现了相界面的原子尺度操控,以图一所示样品为例,升高温度(比如0.2度),相界面从site 1迁移到site 2(精确移动3个原子层),反之亦然。基于高温相与低温相物理性质不同,可以利用它们设计新型纳米器件。该工作发展最先进的原位技术重新研究了相变这一古老而且基础的物理现象,将对相变的认识拓展到纳米尺度,为纳米器件设计提供了新的思路。

                                                                                                    图1. 相变示意图:LT phase为低温相,HT phase为高温相

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项目团队

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    项目负责人王勇教授:2006年于中科院物理研究所获博士学位,随后在澳大利亚昆士兰大学进行博士后研究。2010年到2011年,在美国加州大学洛杉矶分校进行访问研究,2012年回国加入浙江大学。目前主要从事纳米环境催化材料的研究,共发表SCI论文140余篇,其中3Nature Nanotechnology, 1Nature Materials40余篇发表在影响因子10以上的高水平期刊上。现为浙大电镜中心主任,中国电镜学会理事,材料物理专委会副主任,中国材料学会青委会理事。获2012年青年千人及2013年香港求是科技基金会“求是杰出青年学者奖”。研究团队包括张泽院士,美国张绳百教授,硅酸盐所陈立东教授、史迅教授,澳洲孙成华教授。

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  • 评论人:张栒 评论时间:2019-04-03
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    评论内容:王勇教授在纳米材料基础研究领域迈出了一大步