现代科学之父伽利略早已意识到，物体尺度按比例放缩，有意想不到的“超现实”后果。设想一种身高十倍于常人的巨人，骨质强度都和我们一样，他们的骨骼就无法支撑自身重量。同样，哺乳动物如果按比例缩小至十分之一而身体器官不变，它就很难保持体温。
当代材料科学中，材料尺度进入纳米范围，较高的表面能会驱使纳米晶粒内部彻底相变，以至于正常尺度下最稳定的晶相有时在纳米尺度下无法存在。探索晶体随尺度相变的临界点，突破纳米尺度下晶相控制合成的瓶颈，成为材料科学的一个挑战性课题。氧化铝就是一个典型的案例。基态的氧化铝是α相（α-Al2O3），俗称刚玉，因其超高硬度和致密的晶体结构被广泛应用于机械加工、高强陶瓷、生物医学等诸多领域。研究发现，由氧化铝纳米颗粒制成的陶瓷材料，无论强度和韧性都显著提高。另外，氧化铝作为优良的催化基底材料，单位质量的表面积是一个重要指标。要提高表面积，就要合成超细微的纳米粒子。但是，体相稳定的α-Al2O3表面能很高，在纳米颗粒尺度下成为热力学亚稳相态，相变成为表面能低、但不够致密、强度较低的γ-Al2O3。通常α-Al2O3纳米颗粒合成采用两步法：首先合成超细微γ-Al2O3纳米粒子，再均匀缓慢加热，使γ-Al2O3纳米粒子聚合并相变。在常规的合成方法中，由于均匀加热的整体温度偏高，且时间较长，不可避免地导致颗粒粗化，因此合成的α-Al2O3纳米材料颗粒通常较太，表面积常常低于10 m2 g–1。
最近，莱斯大学James Tour课题组和科尔班大学赵玉峰课题组合作报道了一种基于脉冲直流电（pulse direct current, PDC）焦耳热的方法，实现了高比表面积α-Al2O3纳米颗粒的制备。通过将γ-Al2O3纳米颗粒原料与碳黑混合，得到非均相导电体系；当快速脉冲电流通过该体系时，在纳米颗粒的附近或间隙处会形成一个高电流区域，并由此产生局部高温，称之为电阻热点（resistive hotspot）。利用该效应，他们实现了γ-Al2O3纳米颗粒向δ-Al2O3相，最后α-Al2O3纳米颗粒的超快、低温相变：其体相转变温度约为573 K、相变所需要的脉冲电流开态时间为0.8 s，显著低于其他热途径相变所需的条件。合成的α-Al2O3纳米颗粒平均粒径为23 nm，比表面积为65 m2/g，且表面为无水状态。通过对脉冲直流电加热过程的电流密度进行了有限元数值模拟，他们证实了局部高电流密度区域和电阻热点的存在。基于理论计算，他们提出三种氧化铝相（γ，δ，α）不同的表面能是相变的热力学驱动力，而γ相和δ相中氧空位的存在是其体相和表面能差别的结构起因。进一步地，他们发展了交流电烧结（alternating current sintering，ACS）的方法，以α-Al2O3纳米颗粒为前驱体，实现了纳米晶粒氧化铝陶瓷的快速烧结。以α-Al2O3纳米颗粒为前驱体烧结的陶瓷其晶粒尺寸约为~300 nm，硬度达到~15 GPa，整体机械性能优于商用标准氧化铝陶瓷并接近单晶蓝宝石。
这一成果最近发表在Nature Communications 上。
High-surface-area corundum nanoparticles by resistive hotspot-induced phase transformation
Bing Deng, Paul A. Advincula, Duy Xuan Luong, Jingan Zhou, Boyu Zhang, Zhe Wang, EmilyA.McHugh, Jinhang Chen, Robert A. Carter, Carter Kittrell, Jun Lou, Yuji Zhao, Boris I. Yakobson, Yufeng Zhao & James M. Tour
Nat. Commun., 2022, 13, 5027, DOI: 10.1038/s41467-022-32622-4
James Tour简介
莱斯大学化学、材料科学和纳米工程、计算机科学教授，研究方向纳米电子学，碳材料与石墨烯，锂电池，二氧化碳俘获，分子与纳米机器等。共发表论文760余篇，总引用超过120,000次，h-index 165，专利230余项，创立十余个科技公司。
https://www.x-mol.com/university/faculty/1548
赵玉峰简介
莱斯大学材料与纳米工程客座教授，曾任美国能源部国家再生能源实验室高级科学家，现在美国俄勒冈州科尔班大学教授大学物理以及物质科学概论。研究方向计算材料科学、科学哲学与科学美学。
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