一次意外发现之旅：容器形状能决定化学反应如何进行

因为床歪了，所以睡不着？是的，这是磁性纳米粒子在强磁场中的化学合成。中国科学院高磁场科学中心(合肥)SM2强磁体观测到的化学合成将受到反应容器的厚度和厚度的影响。

日前，中科院强磁场科学中心的陆轻铀研究组和南京大学的陆轻铱研究组共同设计了一套可直接插入低温窄孔强超导磁体液氦中的超绝缘高温反应系统(图1)，并将其应用于磁控化学反应的研究。

图1自主研发的高温控制系统，可直接植入超导磁体低温小孔液氦中进行热分解反应。

实验结果确实表明，在强磁场下获得的产物与通过对比实验(在无磁场的常规瓷舟中在管式炉中加热)获得的氧化物产物完全不同。

谁导致了不同氧化产物的产生？合作小组做了更严格的对比实验:在超导磁体的反应堆中进行重复实验，但没有施加磁场。此时，获得的产物与在强磁场下获得的产物完全相同。磁场因子不包括在内。

研究人员开始推测:这是加热容器的区别吗？由于超导磁体的内径非常窄，在正常情况下无法容纳瓷船，因此专门制作了一个小口径的瓷管来放置样品。有没有可能看似无关的容器，无论是胖的还是瘦的，都和决定化学反应命运的温度、压力和磁场的“著名”热力学量一样重要？甚至，它能覆盖强磁场对磁性材料生长的影响吗？

因此，合作小组进一步设计了实验来研究反应器的“长宽比”对化学反应的影响(图2)。他们在不同长宽比的容器中获得了三种不同组成、不同形貌和不同组装方法的氧化锌/四氧化三铁纳米粒子、四氧化三铁@氧化锌纳米管阵列和四氧化三铁@氯化锌纳米管阵列。甚至可以根据反应容器的不同“几何参数”绘制反应产物的“相图”(图3)。

图2是具有不同纵横比的反应容器中的反应过程的示意图。图2是具有不同纵横比的反应容器中的反应过程的示意图。

图3反应容器长径比对反应产物的影响。图3反应容器长径比对反应产物的影响。

事实上，合作团队设计的第一个化学反应是通过在强磁场下热分解片状双金属前体来合成磁性纳米结构材料。因为纳米结构材料的组成单元尺寸小、比表面积大(对应于单位体积的表面积)、悬挂键相对大，并且包含磁性原子(铁、钴、镍等)。)，可以想象它们更容易受到磁场的引导和安排。

在强磁场下于600℃生成的FeC纳米粒子@ ZCN2纳米管复合材料(图4)；900℃产生奥氏体/铁纳米颗粒@碳纳米管复合材料(图5)。

图4在管式反应系统中于600℃获得的产物的XRD、SEM和TEM图像。

图5管状反应系统中在900℃下获得的产物的XRD、SEM和TEM图像。

然而，管状结构的生长相当困难。强磁场有利于管状结构的生长吗？为此，合作小组进行了更严格的对比实验:在超导磁体反应器中进行重复实验，但没有施加磁场。

然而，结果令人惊讶，此时获得的产物与强磁场下获得的产物完全相同。通过合作小组的进一步实验，发现化学合成会受到反应容器的厚度和厚度的影响。

本研究证明，反应容器的几何形状也是一个独立可调的热力学参数，可以用来控制化学反应的进程和纳米结构的生长结果，并且非常便宜。这也为将来合成新材料带来了新的可能性。

这项工作发表在《组合物》第b161 (2019) 328-335部分的“新型自支撑碳基纳米管阵列组合物的空间确认生长”主题上。文章链接:https://doi.org/10.1016/j.compositeb.2018.10.047.

对了，大家可能都注意到了，这篇文章里的两个主要研究者，一个叫卢光铀，另一个叫卢光铱，似乎都有故事。陆地轻铀和陆地轻铱是兄妹。轻铀，轻铀的名字是轻的化学元素铀同位素(U235)；妹妹是轻铱，名字“轻铱”是指轻的化学元素铱同位素之一(Ir191)。我哥哥学物理，我姐姐学化学。物理和化学之间的合作很好地反映在它们之中。