一、把金導讀
物質在特定的屬玩物理和化學條件下可以由氣相、液相或固相形成晶體。出花材料按照晶體生長的把金情況，晶體常生長成為面平、屬玩棱直的出花材料多面體形態。其中，把金比較奇特的屬玩形狀是自然界中的六邊形雪花狀晶體。雪花晶體的出花材料研究，在我國最早可以追溯到西漢時期，把金學者韓嬰在《韓詩外傳?補遺》中記載：“凡草木花多五出，屬玩雪花獨六出。出花材料”目前對于雪花晶體的把金結晶過程，仍然是屬玩晶體學領域科學家研究的目標。
那么，出花材料利用雪花晶體的形態演化知識，在許多天然和合成體系中發現的高度復雜的晶體生長行為，會產生什么樣的火花呢？
二、成果掠影
金屬在高溫下很容易溶解在液態鎵中，冷卻后從溶液中析出。然而，液態金屬的高表面張力使得提取這些晶體非常困難。通過使用電毛細管調制和真空過濾相結合的方法降低其表面張力，從液態金屬溶劑中提取這些金屬晶體。
從液態金屬溶劑中提取合成的晶體，同時保留其微觀精細特征，并顯示其暴露的晶體面，這是一個相當大的挑戰。將液態Ga為溶劑，觀察溶解金屬晶體形成過程的形貌和成分選擇，證明了電毛細管調制和真空過濾相結合可以有效地從液態Ga溶劑中提取金屬晶體。一篇發表在Science上，題目為“Liquid metal synthesis solvents for metallic crystals”的文章介紹了相關內容。第一作者為Shuhada A. Idrus-Saidi、Jianbo Tang，通訊作者：Kourosh Kalantar-Zadeh、Nicola Gaston、Torben Daeneke，通訊單位：澳大利亞新南威爾士大學、新西蘭奧克蘭大學、澳大利亞皇家墨爾本理工大學。
三、核心創新點
本工作首先嘗試通過多孔尼龍濾膜(孔徑: 20μm)過濾金屬膠體溶液，用來克服液態Ga的高表面張力阻礙金屬晶體析出物與液態金屬溶劑的分離。
為了降低表面張力，在NaOH溶液中對液態金屬施加正的5 V的電位，同時施加真空輔助過濾。電化學驅動已被證明可以使液態金屬的表面張力從自然值調節到接近零。
利用AIMD模擬預測的Zn(0001)擇優取向，在液態Ga中Zn晶體生長的實驗觀察得到了驗證。
四、數據概覽
圖1 晶體形成和提取策略的示意圖。(A)在液態金屬溶劑中生長金屬晶體的實驗程序。指出了金屬溶質、金屬溶劑以及決定晶體結構和尺寸的參數(包括溫度T、濃度C、壓力P和時間T)。(B)利用電場和真空過濾將晶體從液態金屬中分離出來。(C)具有不同形態和組成的各種類型晶體的例子。(D) Zn(0001)和(E) Zn (101(-)0)與液態Ga界面的俯視圖結構。(F) Zn(0001)和Zn(101(-)0)表面端部與液態Ga界面時的徑向分布和角度分布功能分析。? 2022 AAAS
圖2液態Zn10Ga90合金中Zn結晶過程的表征。(A-C)在350°C的初始溫度下(A)生長1天，(B)生長2天，(C)生長10天后獲得的Zn晶體的SEM圖像。(D)在550°C初始溫度下生長1天后Zn晶體的SEM圖像。(E) 壓力為5 bar下1天后形成的Zn晶體的SEM圖像。(F)不同實驗條件下(A) ~ (E)晶體的尺寸分布。(G) (A) ~ (E)提取晶體中不同晶體形態(樹狀大分子、分形和平板)的比例。(H)提取晶體的XRD圖譜顯示單相Zn (Miller指數) ? 2022 AAAS
圖3?Zn晶體的形貌圖。(A)在相同溫度(350°C)和壓力(大氣壓)條件下，根據Zn晶體類型作為晶體生長時間和Zn濃度的函數繪制的形貌圖。(B)生長2天后不同鋅成分鋅晶體的例子。? 2022 AAAS
圖4?除Zn-Ga外的金屬Ga系形成和提取晶體。(A ~ G)從(A)Sn-Ga， (B) Bi-Ga， (C) Ag-Ga，(D) Mn- ga，(E) Ni-Ga，(F) Cu-Ga，(G) Pt-Ga二元體系(右側圖像顯示板狀和棒狀結構)中提取的晶體(H) SEM圖像，顯示Al和Mn分布的EDS元素映射，Al-Mn- ga三元合金體系的XRD譜圖和尺寸分布。所有晶體的生長條件設置為1天的生長時間，350°C的初始溫度和大氣壓 ? 2022 AAAS
五、成果啟示
本文通過使用二元鋅-鎵(Zn- ga)體系作為主要模型，產生了各種類型的高度對稱的Zn結構，類似于六支雪花晶體。研究了溶質濃度、晶體生長時間、溫度和壓力對Zn-Ga體系雪花狀晶體形態的影響。同時，測試了錫(Sn)、鉍(Bi)、銀(Ag)、錳(Mn)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鉑(Pt)等其他溶質金屬，Mn和鋁(Al)的溶質金屬偶聯，以及溶劑效應，以證明晶體的形態和成分多樣性，并展示其應用。施加電壓后，液態金屬因其表面張力的急劇下降而瞬間扁平膨脹。降低表面張力后，液態Ga能夠與NaOH溶液一起通過過濾器。
通過對液態金屬溶液施加電壓同時進行真空過濾的提取方法。由此產生的晶體可能具有雪花狀的晶體結構。這一策略可以應用在各種形態的金屬顆粒，應用在不同元素和合金中。液態Ga在成核后晶體生長過程中可以通過偏好對稱或取向來優先指導溶質金屬結構的生長。另外，這項工作可以對于目前已存在的晶體庫，通過對液態金屬溶劑生長法生長化合物晶體的可能性，極大地擴展晶體庫數據。該策略對于從液態金屬溶劑中制備高度結晶、形狀可控的金屬或多金屬精細結構，提供了新的設計思路。
論文地址：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm2731
