Vigtig mekanisme bag nanopartikelreaktivitet opdaget

Et internationalt hold af forskere har brugt banebrydende elektronmikroskopiteknikker til at opdage en vigtig mekanisme bag metalliske nanopartiklers reaktion med miljøet.

Afgørende, forskningen ledet af University of York og rapporteret i Naturmaterialer , viser, at oxidation af metaller - den proces, der beskriver, for eksempel, hvordan jern reagerer med ilt, i nærværelse af vand, at danne rust - går meget hurtigere i nanopartikler end på makroskopisk skala. Dette skyldes den store mængde belastning, der indføres i nanopartiklerne på grund af deres størrelse, som er over tusind gange mindre end bredden af ​​et menneskehår.

Forbedring af forståelsen af ​​metalliske nanopartikler - især dem af jern og sølv - er af central betydning for videnskabsmænd på grund af deres mange potentielle anvendelser. For eksempel, jern- og jernoxidnanopartikler anses for vigtige inden for områder lige fra rene brændstofteknologier, højdensitetsdatalagring og katalyse, til vandbehandling, jordrensning, målrettet medicinafgivelse og kræftbehandling.

Forskerholdet, som også omfattede forskere fra University of Leicester, National Institute for Materials Science, Japan og University of Illinois i Urbana-Champaign, USA, brugte den hidtil usete opløsning opnåelig med aberrationskorrigeret scanningstransmissionselektronmikroskopi til at studere oxidationen af ​​kubiske jernnanopartikler og udførte belastningsanalyse på atomniveau.

Ledende efterforsker Dr. Roland Kröger, fra University of Yorks Institut for Fysik, sagde:"Ved at bruge en tilgang udviklet i York og Leicester til at producere og analysere meget veldefinerede nanopartikler, vi var i stand til at studere metalliske nanopartiklers reaktion med miljøet på atomniveau og få information om belastning forbundet med oxidskallen på en jernkerne.

"Vi fandt ud af, at oxidfilmen vokser meget hurtigere på en nanopartikel end på en bulk enkelt krystal af jern – faktisk mange størrelsesordener hurtigere. Analyse viste, at der var en forbløffende mængde belastning og bøjning i nanopartikler, som ville føre til defekter i bulk materiale."

Forskerne brugte en metode kendt som Z-kontrastbilleddannelse til at undersøge oxidlaget, der dannes omkring en nanopartikel efter eksponering for atmosfæren, og fandt ud af, at inden for to år var partiklerne fuldstændigt oxiderede.

Den korresponderende forfatter Dr. Andrew Pratt, fra York's Department of Physics og Japans National Institute for Materials Science, sagde:"Oxidation kan drastisk ændre et nanomateriales egenskaber - på godt og ondt - og derfor er forståelsen af ​​denne proces på nanoskala af afgørende betydning. Dette arbejde vil derfor hjælpe dem, der søger at bruge metalliske nanopartikler i miljømæssige og teknologiske applikationer, da det giver en dybere indsigt i de ændringer, der kan forekomme i løbet af deres ønskede funktionelle levetid."

Det eksperimentelle arbejde blev udført på York JEOL Nanocentre og Institut for Fysik ved University of York, Institut for Fysik og Astronomi ved University of Leicester og Frederick-Seitz Institute for Materials Research ved University of Illinois i Urbana-Champaign.

Forskerne opnåede billeder over en periode på to år. Efter dette tidspunkt, jern nanopartikler, som oprindeligt var terningformede, var blevet næsten sfæriske og var fuldstændig oxiderede.

Professor Chris Binns, fra University of Leicester, sagde:"I mange år hos Leicester har vi udviklet synteseteknikker til at producere meget veldefinerede nanopartikler, og det er fantastisk at kombinere denne teknologi med de fremragende faciliteter og ekspertise i York til at udføre en så gennemtrængende videnskab. Dette arbejde er kun begyndelsen og vi har til hensigt at udnytte vores komplementære evner til at igangsætte et bredere samarbejdsprogram."