Nanokrystaller lavet af amalgam af to metaller

Forskere ved ETH har formået at fremstille nanokrystaller lavet af to forskellige metaller ved hjælp af en sammenlægningsproces, hvorved et flydende metal trænger ind i et fast metal. Denne nye og overraskende intuitive teknik gør det muligt at producere en bred vifte af intermetalliske nanokrystaller med skræddersyede egenskaber til forskellige applikationer.

Nanokrystaller er kugler på størrelse med nanometer, der består af regelmæssigt arrangerede atomer. På grund af deres fordelagtige egenskaber, de er i fremmarch inden for flere teknologier. Halvleder nanokrystaller, for eksempel, bruges i den nye generation af tv-skærme. For nylig, såkaldte intermetalliske nanokrystaller, hvor to forskellige metaller kombineres for at danne et krystalgitter, har skabt sig et navn, da de lover forbedrede og unikke applikationer. Disse applikationer spænder fra katalyse til datalagring og medicin.

I teorien, der er titusindvis af mulige kombinationer af metaller, der kan udgøre sådanne nanokrystaller, med et tilsvarende stort antal forskellige materialeegenskaber. Indtil nu, imidlertid, det har kun været muligt at lave nanokrystaller ud af nogle få sådanne parringer. Et team af forskere ved ETH Zürich ledet af Maksym Yarema og Vanessa Wood ved Institute for Electronics har nu udviklet en ny teknik, der, i princippet, gør det muligt at realisere næsten alle mulige kombinationer af intermetalliske nanokrystaller. Deres resultater blev for nylig offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Videnskabens fremskridt .

Overraskende intuitiv metode

"Vores metode er enkel og intuitiv - så intuitiv, faktisk, at vi var overraskede over, at ingen havde haft denne idé før os, " siger Yarema. I konventionelle procedurer til fremstilling af nanokrystaller lavet af et enkelt metal, metalatomerne indføres i molekylær form, for eksempel som salte, til en opløsning, hvori nanokrystallerne så dannes. "Teoretisk set kan det også gøres med to forskellige metaller, men i praksis er det svært, eller endda umuligt, at kombinere tydeligt forskellige metaller i reaktoren, " forklarer Yarema. Derfor, ETH-forskerne tyede til en procedure, der har været brugt i århundreder:sammenlægning, en særlig form for sammensmeltning eller blanding af metaller.

Flydende metaller

Amalgamer er særligt kendte fra tandplejen, hvor de bruges som fyldmateriale, og også fra guldudvinding. I begge tilfælde, flydende kviksølv tilsættes for at opløse andre metaller (til tandfyldninger, en blanding af kobber, zink og sølv). Imidlertid, sammenlægning fungerer også med ethvert andet flydende metal. Udover kviksølv, som er flydende selv ved stuetemperatur, der er en række metaller med relativt lave smeltepunkter, såsom gallium (30 grader celsius), indium (157 grader) eller tin (232 grader).

Amalgamationstilgang til nanokrystaller

Yarema og hans kolleger bruger sammenlægningstilgangen på nanoskalaen. Reaktionen starter med spredning af nanokrystaller indeholdende et enkelt metal, for eksempel sølv. Derefter, atomerne i det andet metal - siger, gallium - tilsættes i molekylær form (i dette tilfælde som amider, en forbindelse af kulstof, brint, og nitrogen), mens blandingen varmes op til omkring 300 grader.

I første omgang, den høje temperatur får de kemiske bindinger i gallium-amidet til at bryde op, tillader flydende gallium at akkumulere på sølv nanokrystallerne. Nu, selve sammenlægningsprocessen begynder, hvorunder flydende gallium kryber ind i det faste sølv. Over tid dannes et nyt krystalgitter, hvori til sidst sølv- og galliumatomer regelmæssigt er arrangeret. Så er alt kølet ned igen, og efter ti minutter er nanokrystallerne klar. "Vi er overraskede over, hvor effektiv sammenlægningen er på nanoskala. At have én flydende metalkomponent er nøglen til hurtig og ensartet legering inden for hver nanokrystal, " siger Yarema.

Kontrollerbar proces

Ved at bruge samme teknik, forskerne har allerede produceret forskellige intermetalliske nanokrystaller såsom guld-gallium, kobber-gallium og palladium-zink. Selve sammenlægningsprocessen kan styres præcist. Gennem antallet af sekundære atomer, indført i opløsningen som amider, andelen af ​​metallerne i nanokrystallerne kan kontrolleres nøjagtigt. Tager eksemplet med guld-gallium (kemiske symboler Au og Ga), forskerne har vist, at man på denne måde kan fremstille nanokrystaller med meget forskellige proportioner, såsom 1:2 (AuGa ₂ ), 1:1 (AuGa) eller 7:2 (Au ₇ Ga ₂ ). Størrelsen af ​​de endelige intermetalliske nanokrystaller kan også forudsiges præcist ud fra størrelsen af ​​de oprindelige nanokrystaller og stigningen i størrelse på grund af det andet metal.

Skræddersyede nanokrystaller til applikationer

Forskerne forventer et stort potentiale for teknologiske anvendelser på grund af den nøjagtige kontrollerbarhed af nanokrystallernes sammensætning og størrelse samt muligheden for at kombinere metallerne næsten efter behag. "Fordi sammenlægningssyntesen af ​​nanokrystaller muliggør så mange nye kompositioner, vi kan ikke vente med at se dem arbejde i forbedret katalyse, plasmoniske eller lithium-ion-batterier, " siger Yarema. Katalysatorer lavet af nanokrystaller, for eksempel, kan skræddersyes og optimeres præcist til en bestemt kemisk proces, som de skal accelerere.