西北工业大学物理科学与技术学院安钦伟副教授课题组在固气界面反应原子尺度动力学领域取得新进展
文章导读
你盯着材料合成实验里那些"黑箱"般的固气界面反应，是否总觉得在凭运气调参数？原子级别的成核过程转瞬即逝，传统手段根本抓不到实时画面。西北工业大学团队这次用环境透射电镜把反应温度压到200°C，意外发现所有固气界面都会先重构出一个"双层结构"——外层像液体储库，内层满是缺陷位点，正是这个隐藏结构决定了WS₂从氧化物到最终晶相的多步跳变路径。更惊人的是，他们在MoO₂、ZnO甚至金纳米颗粒上都验证了这一机制的普适性。
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近日，物理科学与技术学院安钦伟副教授与中国石油大学赵文副授等合作，在固气界面反应动力学领域取得重要进展。课题组利用环境透射电子显微镜（Environmental Transmission Electron Microscopy, ETEM）作为微反应腔体，实现了在化学气相沉积条件下对固气界面反应的原子分辨率实时成像，揭示了固气界面反应中的普遍存在双层结构形成及其对WS2多步成核过程的调控机制。研究成果以“Atomic dynamics of solid-gas interfaces unveil dual-layer formation and WS2nucleation driven by multistep phase-transition”为题发表于《Nature communications》。安钦伟副教授为论文第一作者和共同通讯作者，西北工业大学物理科学与技术学院为论文第一署名单位。
固-气界面反应广泛存在于地球化学、行星科学、催化、能源转换、气体传感、腐蚀及功能材料合成等领域。由于固气界面反应过程中，反应中间体寿命短、界面环境复杂、实时表征手段有限，导致原子尺度的固气界面动态行为，如表面重构、成核、生长及相变机制，仍缺乏直接实验证据。
本研究通过降低反应温度（200–300°C）和可控硫蒸气供应，显著减缓固气反应动力学，首次实现了对WO2.72纳米线表面固气界面反应的原子尺度实时观测。研究发现，反应初期固-气界面会重构为双层结构：最外层为非晶层（类液体前驱体储层），次表面为晶格畸变层。该双层结构协同调控后续相变过程：非晶层促进短程有序结构和晶核形成，畸变层提供富缺陷的粗糙界面，成为WS2垂直生长的优先生成位点。
通过对成核过程的实时观察，研究揭示了多步相变路径：从WO3→ WO2.72→ WO2.66→无序团簇→ 1T相WS2→ 2H相WS2多层结构。DFT和AIMD模拟进一步证实了该机制的普适性。此外，本研究在MoO2、ZnO和Au纳米颗粒体系中也观察到类似的双层重构行为，表明该机制在过渡金属氧化物硫化和异质相变中具有广泛适用性。
安钦伟教授课题组在国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费等项目支持下，围绕过渡金属硫族化合物纳米管可控生长，物性探究和器件应用，和原位原子尺度下对固-气界面反应、晶体成核和亚稳态晶体动力学开展了一系列基础前沿研究。在Nature Materials，Nature communications等期刊以第一作者和通讯作者发表论文多篇。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-72731-y
（文字：张雪洋；图片：张雪洋；审核：晁小荣）
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