At se nanopartikler vokse

(Phys.org) – Individuelle sølvnanopartikler i opløsninger vokser typisk gennem vedhæftning af et enkelt atom, men vigtigst, når de når en vis størrelse, kan de forbindes med andre partikler, ifølge forskere ved Pacific Northwest National Laboratory, University of California, Davis, og Florida State University. Dette tilsyneladende simple resultat har ændret et langvarigt videnskabeligt paradigme, der ikke tog kinetiske modeller i betragtning, da de forklarede, hvordan nanopartikelensembler blev dannet.

Konventionelle metoder har enten 1) været begrænset til "post-mortem"-analyse længe efter, at væksten aftog, 2) "kirsebærplukkede" partiklerne, der undersøges, derved går glip af mesoskala-implikationerne, eller 3) kun analyserede populationsgennemsnittet og gik glip af de individuelle partikelvarianser. Nu, ved at overveje kinetikken af ​​den gennemsnitlige væksthastighed og fordelingen af ​​partikelstørrelser, holdet forklarer, hvorfor videnskabsmænd ser, hvad de ser, når nanopartikelensembler dannes via ikke-klassiske mekanismer.

"Holdets resultater kaster lys over tidligere uforklarlige observationer af aggregeret nanopartikelvækst, " sagde Dr. Louis Terminello, der leder Chemical Imaging Initiative på PNNL, som finansierede meget af arbejdet. "En sådan forståelse af mesoskala-interaktioner giver mere præcision i materialesyntese, bringer os tættere på skræddersyede materialer til katalyse, energilagring, og andre anvendelser."

enten opbevaring af vedvarende energi til senere brug eller design af længerevarende batterier til elektriske køretøjer, mange af nutidens energiproblemer vil ikke blive løst med nutidens materialer. Der skal nye materialer til. Nøglen til at undgå tidskrævende trial-and-error-forskning er at kontrollere nanopartikelvæksten stramt for at bygge de nødvendige materialer, fra bunden og op. Denne undersøgelse giver vigtig information om nano-ensembler dyrket af ikke-klassiske mekanismer, herunder aggregering og koalescens.

Siden begyndelsen af ​​1960'erne, forskere har fortolket nanopartikelvækst kvantitativt ved hjælp af en model kaldet Lifshitz-Slyozov-Wagner (LSW). Denne model omhandler opløsning af små krystaller og aflejring af det opløste materiale på større - en proces kaldet Ostwald-modning. Men indtil nu, der har været lidt opmærksomhed på at modellere den tilsvarende partikelstørrelsesfordeling - en global egenskab, der ofte dikterer vigtige funktionelle egenskaber, såsom katalytisk aktivitet.

"På atomær skala, Ostwald-modning passer til den observerede vækst. Men på mesoskalaen, vi har brug for at vide mere om partikelstørrelsesfordeling, " sagde Dr. Nigel Browning, Chief Science Officer for Chemical Imaging Initiative og leder af dette projekt.

Forskerne brugte in situ flydende scanning transmissionselektronmikroskopi til at vokse og direkte observere sølv nanopartikelensembler. Holdet fandt, at den kinetiske Smoluchowski-aggregeringsmodel kvantitativt matchede den gennemsnitlige væksthastighed og partikelstørrelsesfordelingen af ​​ensemblet. Forskerne brugte også en algoritme skabt af Dr. Chiwoo Park i Florida State til at fange alle partiklerne og analysere alle data, en anden forskel fra tidligere metoder.

"Ved at bruge den kombinerede billeddannelses- og analytiske tilgang, vi kan kortlægge den komplette partikelstørrelsesfordeling, og se hvordan den ene mekanisme tager over fra den anden, " sagde Browning.

Selvom den gennemsnitlige væksthastighed observeret under in situ vækstforsøgene var i overensstemmelse med LSW-modellen og antydede, at Ostwald-modning var den dominerende vækstmekanisme, Smoluchowski-modellen viste, at den gennemsnitlige vækstrate i ensembleskala er ~20% større end for ikke-aggregerende nanopartikler. Den tilsvarende partikelstørrelsesfordeling er bredere og mere symmetrisk (se figur) end forudsagt af Ostwald-modning i LSW. Og, det matcher mere de eksperimentelle data. Holdets resultater tyder på, at partiklerne skal nå en vis størrelse, før de er i stand til at vokse til større ensembler.

"Vores resultater fremhæver virkelig behovet for, at feltet overvejer både klassiske og ikke-klassiske vækstmekanismer, når de forsøger at forstå og i sidste ende kontrollere de endelige egenskaber ved nanopartikler, " sagde Dr. James Evans, medforfatter og videnskabsmand ved Environmental Molecular Sciences Laboratory.

Denne undersøgelse er et første skridt i at give forskere mulighed for nøjagtigt at forudsige og tune nanopartikelstørrelsesfordelinger i synteser i laboratorieskala baseret på fysiske teorier og empiriske observationer. Holdet vil fortsætte med at besvare grundlæggende spørgsmål om mesoskala-fænomener.