纳米银无需外界干预即可展现出内在的自修复能力

Josiah02

作为材料科学与工程领域的创新概念，自修复材料的灵感来自具有先天自修复能力的生物体。沿着这条思路，自修复材料的研究通常集中在聚合物和水凝胶等“软”材料上。对于固态金属，人们可以直观地想象，任何形式的自修复都将更难实现。
虽然过去的一些研究表明金属的自修复行为或多或少需要外部触发（例如加热、机械刺激或电子束辐照）的帮助，但自主自修复是否可以在没有任何外部干预的情况下在金属固体中发生仍然是一个科学问题。
现在，在《物质》杂志上发表的一项新研究中，中国科学院物理研究所（IOP）的研究人员发现，这种内在的、自主的自修复现象可以发生在纳米级银（Ag）中。
这项研究结合了先进的原位透射电子显微镜 (TEM) 与分子动力学(MD) 模拟，表明纳米级银可以在无需外部干预的情况下自主修复纳米裂纹和纳米孔等结构损伤。
这种非凡的能力不仅在室温下观察到，而且在低至 173 K 的极寒温度下也能观察到。值得注意的是，在相同的受损区域，也可以以相同的效率实现重复的可逆自修复循环。
实验是在原子分辨率 TEM 内进行的，使用单晶银纳米片作为测试样本。纳米孔和纳米裂纹都是通过 TEM 电子束原位钻孔特意制造的。为了避免对愈合过程造成任何可能的干扰，银纳米片样本随后一直处于“光束关闭”状态，直到每次间隔 TEM 成像时才关闭。
一个有趣且令人惊讶的结果观察到，两种代表性结构损伤在几分钟到几十分钟内自主快速自我修复，修复区域完美地恢复了银的晶格，具有原子精确的排序。
与银不同，尽管金（Au）是元素周期表中与银最相关的元素，并且它们在物理和化学性质上有许多相似之处，但金在室温下并没有表现出类似的自修复行为。
进一步的 MD 模拟结果重现了实验观察结果，尤其是银和金之间的愈合行为差异。银与金的不同之处在于其表面扩散的流动性高，而这种特性在其他金属固体中并不常见。
通过使用 TEM，研究人员能够在原子层面上现场追踪银的修复过程轨迹。通过结合原子成像和理论模拟结果，该研究强调了自修复是通过银原子的表面介导自扩散实现的，而这种自扩散是由吉布斯-汤姆森效应导致的化学势不平衡所驱动的。
当银纳米片中出现新生损伤结构（纳米孔或纳米裂纹）时，会产生一个具有负局部曲率的凹陷点。由于化学势一般依赖于曲率，因此凹陷损伤点的化学势会小于纳米片未损伤区域。这种内在的化学势不平衡会驱使银原子迁移并自主修复损伤，展现出一种复杂的材料自我维护形式。
Ag能够在室温及以下温度下自主修复纳米级损伤，这为开发亚微米长度尺度的耐损伤组件和设备提供了巨大潜力。
或许更重要的是，从更广泛的意义上讲，这一机械层面上不寻常的发现可能为更深入地理解金属固体中的自修复现象和概念提供指导框架。