Unique surface patterns emerging during solidification of liquid metal alloys

材料科学 成核 纳米尺度 层状结构 相变 分子动力学 微观结构 化学物理 纳米技术 合金 冶金 热力学 化学 物理 计算化学
作者
Jianbo Tang,Stephanie Lambie,Nastaran Meftahi,Andrew J. Christofferson,Jiong Yang,Mohammad B. Ghasemian,Jialuo Han,Francois‐Marie Allioux,Md. Arifur Rahim,Mohannad Mayyas,Torben Daeneke,C. F. McConville,Krista G. Steenbergen,Richard B. Kaner,Salvy P. Russo,Nicola Gaston,Kourosh Kalantar‐zadeh
出处
期刊:Nature Nanotechnology [Nature Portfolio]
卷期号:16 (4): 431-439 被引量:141
标识
DOI:10.1038/s41565-020-00835-7
摘要

It is well-understood that during the liquid-to-solid phase transition of alloys, elements segregate in the bulk phase with the formation of microstructures. In contrast, we show here that in a Bi–Ga alloy system, highly ordered nanopatterns emerge preferentially at the alloy surfaces during solidification. We observed a variety of transition, hybrid and crystal-defect-like patterns, in addition to lamellar and rod-like structures. Combining experiments and molecular dynamics simulations, we investigated the influence of the superficial Bi and Ga2O3 layers during surface solidification and elucidated the pattern-formation mechanisms, which involve surface-catalysed heterogeneous nucleation. We further demonstrated the dynamic nature and robustness of the phenomenon under different solidification conditions and for various alloy systems. The surface patterns we observed enable high-spatial-resolution nanoscale-infrared and surface-enhanced Raman mapping, which reveal promising potential for surface- and nanoscale-based applications. During a liquid-to-solid phase transition, a Bi–Ga alloy forms ordered nanostructured patterns on its surface.
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