液态金属溶剂中金属晶体生长的原位X射线显微计算机断层扫描观测

《Nature Communications》：Observing growth of metallic crystals inside liquid metal solvents

本刊推荐：为克服液态金属不透明性导致的晶体生长观测难题，研究人员利用X射线显微计算机断层扫描（XCT）技术，首次实现对液态金属溶剂内铂晶体三维生长的原位观测。通过调控冷却速率（1-95°C/min）和溶剂组成（Ga/EGaln），成功定制了Ga2Pt和Ga7Pt3等金属间化合物晶体的形貌与尺寸，并证实其析氢反应（HER）催化性能。该研究为液态金属晶体工程提供了革命性观测手段，推动了功能材料合成策略的创新。

　　

在材料科学领域，液态金属因其独特的物理化学性质成为极具潜力的反应介质，能够溶解多种金属并引导晶体生长。然而，液态金属对可见光和电子束的不透明性，使得科学家们一直难以直接观测其内部晶体生长的动态过程。这种"黑箱"状态严重制约了人们对液态金属中晶体成核、生长机理的理解，也阻碍了通过精确调控晶体形貌来优化材料性能的进程。

为突破这一观测瓶颈，由Moonika S. Widjajana领衔的国际研究团队在《Nature Communications》上发表了创新性研究。他们首次将X射线显微计算机断层扫描（XCT）技术应用于液态金属体系，成功实现了对铂晶体在镓基液态金属溶剂中生长过程的三维原位观测。研究团队通过精心设计实验条件，系统探究了冷却速率（快速冷却95°C/min、中度冷却10°C/min、慢速冷却1°C/min）和溶剂组成（纯Ga与EGaln共晶合金）对晶体形貌、尺寸分布和物相组成的综合影响。

关键技术方法包括：利用XCT进行三维无损成像（140kV束能，65μA电流）；通过电毛细调制与真空过滤联合技术从液态金属中提取晶体；采用扫描电镜（SEM）和X射线衍射（XRD）表征晶体形貌与物相；结合从头算分子动力学（AIMD）模拟揭示原子界面行为；最后通过析氢反应（HER）评估催化性能。

晶体生长与形貌调控

研究发现冷却速率与溶剂组成共同决定了晶体生长行为。快速冷却条件下，两种溶剂中均形成尺寸较小的晶体（中值尺寸85μm），但形貌呈现显著差异：Ga溶剂中主要生成棒状晶体，而EGaln溶剂中则形成多面体晶体。随着冷却速率降低，晶体尺寸显著增大，慢速冷却时Ga溶剂中棒状晶体长度可达2800μm，EGaln中多面体晶体尺寸达1100μm。

晶体结构与成分分析

XRD分析表明溶剂组成直接影响金属间化合物相的形成。在纯Ga溶剂中，主要生成Ga₂Pt相（四方和立方结构），而EGaln溶剂中则优先形成Ga₇Pt₃相，同时伴有In₇Pt₃相。SEM-EDS表征证实了XCT观测的形貌特征，并显示晶体表面存在由提取过程产生的纳米级多孔结构。

理论模拟揭示生长机制

AIMD模拟从原子尺度解释了溶剂效应：Ga-Pt相互作用（峰值距离约2.5?）强于In-Pt相互作用（约3.0?），且EGaln体系中Ga-Pt作用进一步增强。Pt原子在Ga基质中的迁移率显著高于在EGaln中，这解释了为什么EGaln溶剂中更易形成Pt含量较低的Ga₇Pt₃相。

电催化性能验证

HER测试表明，Ga溶剂中快速冷却生成的Ga₂Pt晶体表现出最优催化活性，在酸性介质中过电位仅102mV（@10mA/cm²）。晶体表面的纳米多孔结构（孔径10-500nm）为反应提供了高比表面积，而EGaln溶剂中晶体因铟的引入导致活性位点阻塞，性能相对较差。

该研究通过创新性地将XCT技术引入液态金属体系，首次实现了对金属晶体生长过程的三维可视化观测，建立了"溶剂组成-冷却条件-晶体形貌-物相组成-催化性能"的完整构效关系。研究不仅揭示了液态金属中晶体生长的动力学规律，还证明了通过简单调控实验参数即可定向合成具有特定功能的金属间化合物晶体。这种方法为高性能催化材料、电子器件和能源材料的绿色合成提供了新范式，有望推动液态金属在增材制造和冶金领域的应用创新。