铁镍合金纳米线的氧化机制转变与相分离：分子动力学模拟与实验研究的桥梁

【编辑推荐】本研究通过实验与反应力场分子动力学(ReaxFF MD)模拟，揭示了Fe-Ni合金纳米线(NWs)的氧化动力学机制：低温下Fe-O配位重构形成独特键合构型，高温氧化导致核壳结构相分离并最终形成NiFe2O4尖晶石相，高氧浓度时氧化机制从Fe主导转变为Fe-Ni协同过程，湿度环境通过水解离加速氧化。该成果为高稳定性纳米器件开发提供了原子尺度指导。

　　

Highlight

铁镍合金纳米线(NWs)因其卓越的磁学、力学和电学性能成为研究热点，但实际应用中易氧化导致性能衰减。本研究通过实验与反应力场分子动力学(ReaxFF MD)模拟，首次系统揭示了其多尺度氧化机制：初始阶段铁原子选择性氧化形成氧化铁为主的核壳纳米结构，高温氧化引发金属核与氧化物相分离，最终完全转变为尖晶石相NiFe₂O₄。有趣的是，低温环境下观察到铁氧配位局域重构，镍原子占据铁周围位点形成特殊键合构型。

Microstructural characterization before and after oxidation of NWs

通过扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)表征发现：原始Fe-Ni合金NWs呈直径<200 nm的规则线状结构（图1a-b），高温氧化后出现颗粒团聚现象（图1c-d）。高分辨TEM显示氧化初期形成5-8 nm非晶氧化层，随着氧化程度加深，晶格条纹证实最终产物为单晶NiFe₂O₄。电子能量损失谱(EELS) mapping直观展示了铁元素从核向壳层的梯度分布，而镍元素始终富集在核区——这就像一场精彩的"元素迁徙秀"。

Conclusion

综合实验与模拟结果表明：氧浓度升高会使氧化机制从铁主导转变为铁镍协同过程，而水分子就像"氧化加速器"，通过解离提供额外氧原子促进反应。该研究不仅阐明了环境因素（温度/氧浓度/湿度）对NWs氧化的调控规律，更为设计高稳定性纳米器件提供了关键理论支撑——毕竟，理解材料如何"生锈"才能更好地阻止它们"衰老"。