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为解决液体金属纳米液滴在纳米尺度多相界面全动态演化难以直接观测的问题，上海交通大学研究人员开展 “Filming evolution dynamics of Hg nanodroplets mediated at solid-gas and solid-liquid interfaces by in-situ TEM” 研究。结果发现气、液细胞中 Hg 纳米液滴不同演化行为，该研究有助于理解纳米液滴演化，推动界面科学与工程发展。
在微观世界中，多相界面处的纳米液滴就像神秘的小精灵，无处不在且影响深远。从基础的界面科学到工业应用领域，如催化、环境治理、生物和医学过程，都有它们活跃的身影。然而，液体金属纳米液滴在纳米尺度多相界面的完整动态演化过程，就像被神秘面纱遮挡一般，难以直接观测，相关研究也充满挑战，很多关键信息模糊不清。这种现状极大地限制了人们对界面过程的深入理解，也阻碍了基于此的应用开发。为了揭开这层面纱，上海交通大学的研究人员开展了一项意义重大的研究。他们通过原位透射电子显微镜（in-situ TEM），对固 - 气和固 - 液界面处 Hg 纳米液滴的演化动力学进行了统计研究，相关成果发表在《Nature Communications》上。这一研究成果对于深入理解纳米液滴的行为、推动界面科学与工程的发展意义非凡。
在这项研究中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先是制备技术，通过电纺丝技术分别制备了含有 HgS 纳米晶体（NCs）的气、液细胞；其次是表征技术，利用 in-situ TEM 实时观察 HgS 纳米结构在气、液环境中的结构演化，结合能量色散 X 射线光谱（EDS）分析元素组成和分布，还运用圆二色谱（CD）表征 HgS 样品的手性 、原子力显微镜（AFM）揭示表面轮廓 、电子顺磁共振（EPR）检测自由基相关物种；此外，通过计算载流子对生成速率、Hg 原子数量以及辐射分解物种的稳态浓度，从理论层面辅助研究。
下面来看具体的研究结果：
- HgS 用于气 / 液细胞研究的特性：研究人员采用种子介导外延生长技术制备了手性 α-HgS NCs。其原子结构呈现独特的螺旋排列，晶面间距对应特定晶面。通过对其手性调控，验证了制备方法的有效性。利用大规模细胞制造方法将 HgS NCs 封装在气、液环境中，为后续研究奠定基础。在电子束（e-beam）激发下，HgS NCs 会形成 Hg 纳米液滴，且在不同环境下表现出不同的演化行为。
- HgS NCs 在气细胞中的结构演化：在气细胞中，当以高剂量率的 e-beam 激发时，HgS NCs 会迅速产生大量空隙（voids），同时出现 Hg 纳米液滴。随着照射时间增加，voids 不断扭动、合并，最终演变成裂纹状特征。Hg 纳米液滴则逐渐长大，在不同剂量率下，其稳定尺寸和移动速度不同，且会通过纳米桥合并成更大的液滴。当气细胞破裂时，Hg 纳米液滴会像在真空中一样蒸发消失。
- 气细胞中 voids 和 Hg 液滴的详细演化：研究人员通过改变剂量率进行实验，发现随着剂量率增加，Hg 液滴稳定尺寸增大，生长速度加快，移动速度也加快。同时，观察到 voids 和 Hg 液滴的合并过程，它们分别通过桥连实现合并，最终形成更大的结构。高分辨率观察进一步揭示了 voids 和 Hg 纳米液滴的形成与合并机制。
- HgS NCs 在液细胞中的喷墨现象：在液细胞中研究 HgS NCs 在液体中的结构演化时，发现了周期性的 Hg 液体喷射现象，即喷墨事件。这种现象在多个 HgS NCs 存在时也会发生。喷墨速度随剂量率增加而增加，且不同剂量率下 Hg/S 比变化不明显，与气环境中不同。
- void 的成核、生长和合并：研究人员通过多种实验验证，发现 e-beam 诱导的温度升高和外部加热都不是观察到的 void 形成等现象的主要原因。e-beam 能量转移使原子脱离晶格位点形成空位，进而凝聚成 voids。后续 voids 会不断生长、合并，最终形成裂纹状特征，且这种特征沿 <001> 方向扩展，这是由晶体结构和能量因素决定的。
- Hg 纳米液滴的形成、移动和合并：e-beam 激发 HgS 半导体产生电子 - 空穴（e-h）对，部分电子用于形成 Hg 纳米液滴，其形成过程消耗的电子占比极少。Hg 纳米液滴在形成后，移动速度较快，推测其快速移动与 HgS 纳米晶体的锯齿状表面有关，这种表面产生的压力差驱动了液滴运动。在移动过程中，Hg 纳米液滴通过相对较长距离的桥连合并，与其他体系中的合并现象不同。
- 连续喷墨行为的机制：水在 e-beam 照射下会产生氧化物种和还原电子，通过添加不同的清除剂进行实验，发现氧化物种（如?OH）主导 HgS NCs 的蚀刻过程，而还原电子在连续喷墨现象中起关键作用。两者的竞争关系决定了喷墨行为的发生和间隔时间。
- 气 / 液细胞中纳米液滴的动力学：综合来看，在气细胞中，e-beam 激发使 Hg 和 S 原子形成空位，进而产生 voids 和 Hg 纳米液滴，它们分别经历生长、合并过程，最终形成稳定的大液滴；在液细胞中，voids 迅速出现并长大，小 Hg 纳米液滴在积累足够电子后引发喷墨行为，多次喷墨后形成稳定的液体 Hg 层。
研究结论和讨论部分表明，该研究直接可视化并统计研究了固 - 气和固 - 液界面介导的 Hg 纳米液滴不同演化动力学。气细胞中 Hg 液滴的行为与固 - 真空界面不同，液细胞中出现的喷墨现象受还原电子和氧化物种竞争影响。这些成果加深了人们对液态金属纳米液滴在纳米尺度固 - 气和固 - 液界面演化的理解，为界面科学和工程提供了重要参考。例如，在绘画领域，朱砂在外部光照下会因液态汞在界面扩散而变黑，该研究结果有助于理解这一现象；在材料制备方面，可通过类似供应还原电子的策略在合适基底的特定位置获得大量金属纳米液滴；此外，还能调控纳米液滴在不同界面的行为，在纳米运输系统和纳米冷焊接等领域展现出潜在应用价值。
