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在纳米电子器件应用中，理解超薄金（Au）纳米片机械性能很关键。研究人员针对其脆性断裂行为展开研究，发现局部相变（从 fcc 到 hcp 结构转变）和能量耗散会引发脆性断裂，为相关应用提供新见解。
在科技飞速发展的今天，纳米材料成为了众多领域研究的焦点。其中，各向异性的金（Au）纳米结构，尤其是超薄大面积纳米片，因其在纳米电子器件，如能量收集系统和应变传感器中的巨大应用潜力，吸引了无数科研人员的目光。然而，一直以来，人们熟知金具有出色的延展性，是金属中的 “韧性担当”。可在纳米尺度下，它却展现出了令人意想不到的一面。此前，关于金在纳米尺度下延展性大幅降低甚至出现开裂的情况鲜有报道，而且对于超薄金纳米片结构缺陷对其机械性能的影响，无论是理论研究还是实验探究都存在空白。为了填补这些知识空白，深入了解超薄金纳米片的机械行为，来自国外的研究人员开展了一项意义重大的研究。该研究成果发表在《Extreme Mechanics Letters》上，为相关领域的发展带来了新的曙光。
研究人员主要运用了两种关键技术方法。一是纳米压痕（nanoindentation）技术，使用 G200?（KLA Corp. USA）设备，对合成的超薄金纳米片施加近似面内载荷，以此研究其变形和断裂行为。二是分子动力学（MD）模拟，通过模拟外部应力作用，探究金纳米片内部结构变化机制。
超薄金纳米片的制备与转移
研究人员在典型合成实验中，先将 5mL 含有 1.7mg L - 精氨酸（Sigma Aldrich）的水溶液置于 20mL 小瓶中，室温下加热至 95°C 。同时，用移液管将 2mL 含有 13.5mg 四氯金酸三水合物（HAuCl4·3H2O，Alfa Aesar）的水溶液滴加到 L - 精氨酸溶液中。反应混合物在 95°C 保持 2 小时，随后冷却至室温，成功制备出超薄金纳米片。
超薄金纳米片的微观结构和结晶度
合成的超薄金纳米片呈六边形或截顶三角形，对角线尺寸可达 80μm。通过透射电子显微镜（TEM）分析，从金纳米片获取的选区电子衍射（SAED）图案具有 6 重旋转对称的衍射斑点，表明其具有特定的晶体结构特征。
脆性断裂行为研究
研究人员在对厚度约 15nm、对角线长度达 80μm 的超薄金纳米片进行纳米压痕实验时，观察到一种前所未有的脆性断裂现象。在实验中，纳米片出现了独特的断裂模式，裂纹从压痕点以 120° 角扩展。为排除压头形状对应力分布的影响，研究人员采用了三种不同形状的压头进行实验，均观察到了这种脆性断裂现象。
为了深入探究这一奇特现象背后的原因，研究人员进行了分子动力学（MD）模拟。模拟结果显示，这种脆性断裂行为源于外部应力作用下金纳米片内部发生的局部相变，即从面心立方（fcc，一种晶体结构，其中原子位于单位晶胞的每个角和所有立方体表面的中心）结构转变为六方密堆积（hcp，原子以六边形排列堆积，层间交替以实现最紧密堆积）结构。研究人员推测，这种相变的起始可能与纳米片制备过程中引入的堆叠缺陷有关。此外，在断裂部位周围出现的滑移线表明，能量耗散机制也对脆性断裂的发生起到了推动作用。
研究结论与讨论
综合研究结果，研究人员得出结论：在垂直载荷作用下，金这种通常被认为具有高延展性的金属，在超薄纳米片形态下会发生脆性断裂。这一现象可归因于能量耗散机制（裂纹尖端解理和位错形核）与外部载荷引起的局部相变同时或互补发生。与其他二维材料（如 MoS2、MoSe2 或石墨烯）不同，金纳米片在断裂过程中伴随着晶体结构的转变。
这项研究意义非凡。它首次揭示了超薄金纳米片的脆性断裂行为及其内在机制，为深入理解低维形式下金的本征机械性能提供了宝贵信息。在实际应用方面，该研究成果对纳米电子学和其他先进技术领域有着重要的指导意义。例如，在设计基于金纳米片的柔性电子系统时，研究人员可以参考这些发现，更好地优化材料结构，提高器件的机械顺应性和耐久性，推动相关领域的技术进步。同时，该研究也为后续研究其他金属纳米材料在纳米尺度下的机械行为提供了新思路和研究范例，激发科研人员进一步探索材料微观世界的奥秘，为材料科学的发展注入新的活力。
