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美國研究人員最近發現，對奈米微晶(nanocrystal)的相變(phase transformation)而言，顆粒尺寸的影響大於先前科學家們的認知。此實驗結果有助於應用這些奈米結構來設計未來的氫儲存系統、催化劑、燃料電池與一般電池等。
由Stephen Whitelam與Jeffrey Urban領導的勞倫斯柏克萊國家實驗室(LBNL)及加州大學柏克萊分校(UC Berkeley)團隊最近利用自行研發的獨特光學探測技術，獲得上述研究結果。奈米金屬微粒與氫氣發生反應時會經歷不同相變過程，而此方法能對這些奈米微晶直接造影。該團隊表示這是首次有研究能直接觀察這類奈米微晶相變。
奈米材料的相變行為與塊材大不相同，這是因為奈米微晶的表面積遠大於同體積的塊材，因此影響了熱力學及粒子成核的動力學。Urban團隊所研發的光學探針裝置為具有光學窗口和及熱元件的不銹鋼氣密腔，並連接至一高真空幫浦。實驗藉由共焦拉曼顯微鏡(confocal Raman microscope)測量鈀(palladium, Pd)奈米微晶與氫氣發生反應時的發光光譜，其中鈀微晶的尺寸約在10-120 nm之間。此設備能觀察到當氫氣吸附於鈀微粒時，所引起的微小發光變化，此研究人員得以確定奈米微晶的大小如何影響熱力學，以及氫化和去氫化時相變反應的動力學。
該研究團隊同時使用統計力學模型，來量化不同大小的鈀奈米微晶的實驗結果，而數據分析清楚顯示微晶尺寸與發光有直接關聯性。Urban進一步說明，這是因為金屬奈米微晶會發光，但金屬氫化物則不然，所以藉由量測通入氫氣時的發光量便能直接觀察到此相變過程。例如，較小的奈米微晶表現出較為迅速的發光變化。此研究的發現可望協助優化如此奈米系統的儲氫動力學。
該加州團隊目前正計畫探討摻雜物在此金屬奈米微晶相變過程中的影響，並且研究不同氣體如何與這些結構發生反應。詳見 Nature Materials｜doi:10.1038/nmat3716。 |