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氧化是件“可怕”的事情——生锈的铁桥、变棕的苹果、还有长斑的肌肤都可能因它导致。日常生活中不论建筑、或是交通工具，都无可避免的被氧化侵蚀。 但是你可能想不到，这个过程如果控制得当，看似罪恶的金属氧化反应却也能造福人类。比如现有的电池、还有药物输送载体的设计工艺都能通过控制氧化反应得到提高。因此，科学家的首要任务便是详尽地了解氧化反应的确切机制。 阿贡国家实验室能源部和天普大学的研究员，在超级计算机和同步加速器的帮助下，用接近原子级的分辨率显示了铁纳米微粒转化成氧化铁的过程。这是氧化过程第一次被如此清晰详尽的捕捉到，研究结果发表在今年4月的《科学》杂志上。 在发表的论文中，作者描述了金属纳米微粒被氧化时的行为。结合X射线散射成像技术和计算机仿真模拟，研究员观测到纳米微粒在氧化反应进程中形状上的变化。在金属置于气体或液体中被氧化时，在固体-气体或固体-液体的分界面上会产生材料的定向流动，从而原子晶格中会出现一些孔隙，这个过程叫做科肯德尔效应。如果运用得当，这种效应能被用来在纳米级别上设计特殊材料。 △ 铁纳米微粒在氧化过程中的3D结构（图片来源：Science） 科研人员将许多纳米级(多为10nm左右)的铁微粒暴露在有氧的环境下，在氧化的作用下，这些铁纳米微粒缓缓变成空心结构。这种空心纳米壳可被用于制造电池电极、医学中药物输送的载体、或加速化学反应的催化剂等。 在纳米壳中，空白区域的大小、形状和分布随着氧化过程不断改变。而科学家则通过实验和理论方法，来了解这些孔洞是如何形成、又如何结合的。 从铁纳米微粒中制造出这种纳米壳对氧化过程的精准控制有非常高的要求。只有充分明白氧化反应在自然条件下发生的过程，才可能通过化学方法控制过程，得到具有特殊性能的新材料。 如果氧原子进入一个铁纳米粒子的速度快于铁原子出来的过程，那么纳米微粒会变成一个紧小的实心球状；反之，如果铁原子出来的速度快于氧原子进入的速度，该纳米微粒则会变成研究者们想要得到的空心球状。 由于科学家还不能彻底了解壳在原子层面的形成过程，因此这些空心纳米壳的产生过程并不容易。若使用高倍显微技术对这些铁纳米微粒在纳米级别上进行观测，则化学反应的过程会受到干扰，而且高倍显微镜只能对反应呈现2D显示。 因此科学家们另辟蹊径，用X射线散射技术对纳米粒子在氧化反映下的结构变化进行3D显示。通过这种近距离的观测氧化过程能被更好的控制，对抗氧化材料或新型催化剂的设计都有很大的帮助。 先进光子源(APS, 大型同步加速器)的小角度X射线散射能对孔隙结构进行显示，而广角度X射线散射则能提供纳米粒子的晶体结构信息。两种技术的结合能让研究员从实验中同时探究到金属晶格和孔隙结构。 这种技术让研究员在相对较高的空间分辨率下对小孔的形成进行观察，却还不能达到原子级别，因此研究者们还需向超级计算机寻求帮助。计算机仿真能对铁纳米微粒被氧化的过程的每一个原子进行模拟，也就是说孔隙是如何形成、如何结合、每个原子如何运动都能被可视化。 科学家们认为，这项研究最重要成果并非是造出了“空心的铁纳米微粒”，能够将X射线散射实验技术和计算机仿真模拟结合在一起，创造出新的知识，更有价值。在该项成果出来之前，纳米微粒在形态学上以亚纳米级到原子级分辨率的3D演化并不为人所知。是理论(仿真模拟)和实验(X射线散射)两者的结合才为科学的进步提供了更多珍贵的信息。 参考来源： |
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