纳米银具有内在的自愈能力，无需外部干预

作为材料科学与工程领域的一个创新概念，自愈材料的灵感来自具有自愈能力的生物体。沿着这一思路，对自愈材料的研究通常集中在聚合物和水凝胶等“软”材料上。对于固态金属，人们可以直观地想象，任何形式的自愈都将更难实现

尽管过去的一些研究表明，金属的自愈行为或多或少需要外部触发器的帮助（例如，通过加热、机械刺激或电子束照射），但自主自愈是否可以在没有任何外部干预的情况下在金属固体中发生，仍然是一个科学上的好奇心

现在，在《物质》杂志上发表的一项新研究中，中国科学院物理研究所（IOP）的研究人员发现，这种内在和自主的自愈现象可以在纳米级银（Ag）中发生

这项研究将先进的原位透射电子显微镜（TEM）与分子动力学（MD）模拟相结合，揭示了纳米级银可以在没有外部干预的情况下自主修复结构损伤，如纳米裂纹和纳米孔

这种显著的能力不仅在室温下观察到，而且在低至173 K的低温下也观察到。值得注意的是，在相同的损伤区域，重复的可逆自愈循环也可以以相同的效率实现

实验是在原子分辨率透射电子显微镜内进行的，使用单晶银纳米片作为测试样品。纳米孔和纳米裂纹都是通过TEM电子束原位钻孔有目的地制造的。为了避免对愈合过程进行任何可能的干预，银纳米片试样随后保持“光束关闭”状态，直到间隔TEM成像的每个时刻

作为一个有趣且可能令人惊讶的结果，观察到两种代表性的结构损伤在几到几十分钟内自主快速自愈，愈合区域以原子精确的顺序完美地恢复了银的晶格。

与银不同，金（Au）在室温下没有表现出类似的自愈行为，尽管事实上金是元素周期表中与银最相关的元素，它们在物理和化学性质上有许多相似之处

进一步的MD模拟结果再现了实验观察结果，特别是关于Ag和Au之间愈合行为的差异。Ag与Au的区别在于其表面扩散的高迁移率，这是其他金属固体中不常见的特征

通过使用TEM，研究人员能够在原子水平上原位跟踪银中愈合过程的轨迹。结合原子成像和理论模拟结果，该研究强调，由于吉布斯-汤姆逊效应导致的化学势不平衡，银原子的表面介导自扩散实现了自愈

当一个新生的损伤结构（纳米孔或纳米裂纹）开始在银纳米片中存在时，会产生一个具有负局部曲率的凹形位点。由于化学势的一般曲率依赖性，凹形损伤部位相对于纳米片的未损伤区域具有较小的化学势。这种内在的化学势不平衡促使银原子自主迁移和修复损伤，展示了一种复杂的材料自我维护形式

银在室温及以下自主自愈纳米级损伤的能力表明，在亚微米长度尺度上开发损伤容限组件和器件的可能性很大

也许更重要的是，从更广泛的意义上讲，这一在机械层面上的不寻常发现可能为更深入地理解金属固体中的自愈现象和概念提供一个指导框架 More information: Jianlin Wang et al, Direct observation of autonomous self-healing in silver, Matter (2024). DOI: 10.1016/j.matt.2024.07.009

Journal information: Matter