作者及机构
本研究由Shuhada A. Idrus-Saidi、Jianbo Tang（共同一作）等来自澳大利亚新南威尔士大学（UNSW）、奥克兰大学、皇家墨尔本理工大学（RMIT University）等多个机构的科研团队合作完成，并于2022年12月9日发表在《Science》期刊上。
本研究属于材料科学与冶金工程交叉领域，旨在探索液态金属作为溶剂合成高对称性金属晶体的新方法。自然界中，冰晶（如雪花）因其六边形对称结构而备受关注，而金属晶体的生长通常受限于传统合成方法的各向同性特性。液态镓（Ga）作为一种低熔点（~30°C）的金属溶剂，能够溶解多种金属（如锌、锡、铋等），并在冷却过程中促使金属原子以高度有序的方式结晶。然而，由于液态金属的高表面张力，如何从溶剂中提取完整的晶体一直是一个技术难题。本研究的目标是开发一种高效提取金属晶体的方法，并研究其生长机制，以拓展其在功能材料制备中的应用。
研究团队首先将锌（Zn）等金属在高温（如350°C或550°C）下溶解于液态镓中，形成均匀的液态合金。随后，通过降温至室温使金属过饱和并析出晶体。由于镓的超冷特性，溶剂在室温下仍保持液态，而溶质金属则以晶体的形式析出。
传统过滤方法无法分离液态金属中的晶体，因为镓的高表面张力会阻碍晶体通过滤膜。研究团队创新性地结合了电毛细调制（electrocapillary modulation）和真空过滤技术：
- 在NaOH溶液中施加+5V电压，降低液态镓的表面张力，使其能够通过20微米孔径的尼龙滤膜。
- 通过真空辅助过滤，液态镓与NaOH溶液一同被分离，而晶体则保留在滤膜上。
- 最后，用NaOH溶液清洗残留的镓，获得纯净的金属晶体。
研究采用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和能量色散X射线光谱（EDS）对晶体形貌、结构和成分进行分析。此外，通过从头算分子动力学（AIMD）模拟了Zn(0001)和Zn(10-10)晶面与液态镓的界面相互作用，以解释晶体生长的各向异性。
在Zn-Ga体系中，锌晶体表现出与雪花类似的六边形对称结构，包括：
- 六边形片状晶体（hexagonal plates）：由Zn(0001)晶面主导生长，因其与液态镓的界面能较低（-6.381 eV/nm²），结构更稳定。
- 分形结构（fractals）和枝晶（dendrimers）：在低锌浓度（5-10 wt%）下更易形成，而高浓度（20 wt%）则倾向于生成片状晶体。
- 12分支晶体：在550°C高温下观察到，可能是两个六边形晶核共同生长的结果。
研究还扩展至其他金属体系，如：
- Sn-Ga：形成非晶枝晶结构，尺寸可达数百微米。
- Bi-Ga：生成立方晶系的空心漏斗状晶体。
- Ag-Ga、Mn-Ga：形成高长径比的六方Ag₂Ga和四方MnGa金属间化合物棒状晶体。
- Al-Mn-Ga：三元体系意外生成Al₁₁Mn₄金属间化合物，而非预期的MnGa相，表明铝的引入改变了晶体生长的热力学路径。
AIMD模拟显示，Zn(10-10)/Ga(l)界面能（-8.290 eV/nm²）高于Zn(0001)/Ga(l)（-6.381 eV/nm²），说明Zn(0001)晶面在液态镓中更稳定，因此片状结构占主导。类似地，Ag₂Ga的(10-10)晶面稳定性更高，因而倾向于形成棒状结构。
本研究提出了一种基于液态金属溶剂的新型晶体生长方法，并通过电毛细调制技术实现了晶体的高效提取。其科学价值包括：
1. 晶体生长机制：揭示了液态金属溶剂如何通过界面能调控晶体形貌，为各向异性金属晶体的设计提供了理论依据。
2. 材料多样性：可扩展至多种金属和合金体系，如单金属（Zn、Sn）、金属间化合物（Ag₂Ga、CuGa₂）等。
3. 应用潜力：合成的晶体在气体传感、压电材料和光催化等领域具有潜在应用（如研究团队已初步验证了Zn晶体的气敏特性）。
研究还探讨了镓-铟（Ga-In）合金作为溶剂的影响，发现铟的加入可降低成核能垒，促进更大尺寸晶体的形成。此外，机器学习模型被用于分析晶体形貌与生长条件的关联性，进一步优化合成策略。
这项研究为金属晶体的可控制备开辟了新途径，并在功能材料开发和增材制造领域展现出广阔前景。