Undersøgelse viser, at størrelsen påvirker strukturen af ​​hule nanopartikler

En ny undersøgelse fra North Carolina State University viser, at størrelse spiller en nøglerolle i at bestemme strukturen af ​​visse hule nanopartikler. Forskerne fokuserede på nikkel nanopartikler, som har interessante magnetiske og katalytiske egenskaber, der kan have anvendelser inden for så forskellige områder som energiproduktion og nanoelektronik.

"De principper, vi afdækker her, har et stort potentiale for nanofabrikation - skabelsen af ​​materialer, der har meget små funktioner, med mange anvendelser inden for områder lige fra elektronik til medicin, " siger Dr. Joe Tracy, en assisterende professor i materialevidenskab og teknik ved NC State og medforfatter af undersøgelsen. "Denne undersøgelse forbedrer vores forståelse af hule nanopartikler og er grundlaget for fremtidigt arbejde med applikationer inden for magnetisk optagelse med ultrahøj tæthed og mere effektive katalysatorer, som er nyttig til kemisk produktion, affaldsbehandling og energiproduktion."

Det drejer sig om oxidation af nikkelnanopartikler. Hvis du starter med et "kerne" stykke nikkel og oxiderer det, udsætte det for ilt ved høje temperaturer, materialets struktur ændres. Hvis materialet er delvist oxideret - udsat for ilt og høj varme i en begrænset periode - dannes en fast nikkeloxidskal omkring materialet.

Hvis materialet udsættes for varme og ilt i længere tid, yderligere oxidation sker. Den ydre skal forbliver, men nikkel transporteres ud af kernen, efterlader et tomrum. Hvis materialet er fuldt oxideret, der skabes et større tomrum - hvilket efterlader nikkeloxidskallen effektivt hul. Denne omdannelse af faste til hule nanopartikler er kendt som "Nanoskala Kirkendall-effekten."

Men hvad NC State forskere har fundet er, at størrelsen af ​​nikkelkernen også spiller en nøglerolle i strukturen af ​​disse partikler. For eksempel, i mindre nikkelnanopartikler - dem med kerner med diametre mindre end 30 nanometer (nm) - dannes et enkelt hulrum inde i skallen under oxidation. Dette resulterer i en asymmetrisk kerne af nikkel, med et enkelt hulrum, der vokser på den ene side af kernen. Den resterende kerne krymper efterhånden som oxidationsprocessen fortsætter. Dette er væsentligt, delvis, fordi nikkeloxidskallen bliver gradvist tykkere på den side, der støder op til kernen. Jo større kernen er - inden for 30 nm-grænsen - jo tykkere bliver den side af skallen. Med andre ord, du ender med en nikkeloxidskal, der kan være væsentligt tykkere på den ene side end den anden.

Imidlertid, fandt forskerne ud af, at større nikkelnanopartikler gør noget helt andet. Forskerne testede nanopartikler med nikkelkerner, der var 96 nm i diameter, og fandt ud af, at oxidationsprocessen i disse nanopartikler skabte flere hulrum i kernen - selvom selve kernen forblev fuldstændigt omgivet af nikkeloxidskallen. Denne proces resulterede effektivt i skabelsen af ​​bobler i hele kernen. "Skeletterne" af disse bobler var stadig tilbage, selv efter fuld oxidation, skabe en i det væsentlige hul skal, der stadig var krydset med nogle rester af nikkelkernen.

"Dette fortæller os meget om, hvordan man skaber nanoskala strukturer ved hjælp af nanoskala Kirkendall Effect, " siger Tracy. "Det er en byggesten til fremtidig forskning på området."