Forskning og anvendelser af jernoxidnanopartikler

Fra mysterierne med at producere røde farver i traditionelt japansk Bizen-stentøj til jernoxiderende bakterier til lithium-ion-batterier, Professor Jun Takada er på forkant med forskning i innovative jernoxid-nanomaterialer.

Professor Jun Takada er på Graduate School of Natural Science and Technology på Okayama University. "Jeg brugte tredive år på at undersøge, hvordan håndværkere var i stand til at gengive de smukke røde farver i Bizen- og Arita-keramik, " forklarer Takada. "Denne forskning afslørede den vigtige rolle, jernoxidpartikler spiller for at producere farverne. Jeg arbejder nu på innovative anvendelser af jernoxidmaterialer i nanometerskala produceret af 'jernoxiderende bakterier'. Jeg har lavet en overgang fra fin keramik og Bizen stentøj til brændselsceller og bioteknologi!"

Bizen ware har en historie på mere end tusind år. Keramikken har karakteristiske 'hidasuki' eller 'brandmærkede' rødbrune farver (fig. 1) og er fremstillet ved hjælp af jernrigt ler udvundet fra rismarker i Bizen-området i Okayama-præfekturet. Spændende nok, de røde farver er gengivet ved at vikle halm omkring stentøjet og ikke ved glasering. Men hvorfor har sugerøret, som oprindeligt blev brugt til at adskille stykker af stentøj i ovne, producere de røde farver, hvor halmen er i kontakt med overfladen af ​​leret?

"Vores forskning viste, at Bizen-leret havde et højt indhold af jern, mindre koncentrationer af andre grundstoffer, herunder silicium, kalk, magnesium, og natrium, " forklarer Takada. "De røde mønstre er produceret ved udfældning af korund (α-Al2O3) efterfulgt af dannelsen af ​​hermatit (α-Fe2O3) omkring det under afkølingsprocessen."

Mere specifikt, kalium i halmen reducerer smeltepunktet på overfladen af ​​Bizen-leret, hvilket fører til dannelsen af ​​en cirka 50 mikrometer tyk væske i overfladen af ​​det varme ler, hvor de førnævnte reaktioner opstår. Desuden, forskningen identificerede dannelsen af ​​sandwichlignende krystaller af α-Fe2O3/α-Al2O3/α-Fe2O3 partikler under reaktionen i den langsomme afkøling.(Fig.1)

"Det vigtigste resultat af forskningen var vigtigheden af ​​hæmatit i dannelsen af ​​de hidasuki-røde mønstre, " siger Takada. "Vi fandt også en sammenhæng mellem væksten af ​​hæmatitpartikler og farven på den resulterende Bizen-vare."

Takada og kolleger producerede også såkaldt Al-substitueret hæmatit, hvor substitutionen af ​​Al undertrykte kornvækst af hæmatit og tonefarven blev stærkere med stigende aluminium.(Fig.2) De fandt ud af, at partikler på omkring 100 nm producerede gullig rød, og større partikelstørrelser førte til røde og til sidst mørkelilla farver. Denne forskning gjorde det endelig muligt for forskerne at producere hæmatitbaserede pulvere, der ikke indeholder farlige elementer såsom krom eller bly, og derved øger anvendelsesområdet for disse materialer, producerer især Aka-e dekoration på de overglaserede Arita ware.

Inspireret af hans forskning i hæmatit og jernoxidpartikler til fremstilling af røde farver, Takada igangsatte ny forskning i fremstilling af nanostrukturrør og fibre af jernoxider - kendt som biogene jernoxider (BIOX)(Fig.3) - produceret af såkaldte jernoxiderende bakterier. "Det gulbrune bundfald fundet i en grundvandskilde skyldes tilstedeværelsen af ​​ekstracellulære fibrøse bundter produceret af jernoxiderende bakterier såsom Leptothrix ochracea, " siger Takada. "Vores forskning viser, at dette ellers ubrugelige udseende materiale har nogle ekstremt vigtige anvendelser." Forskning foretaget af Takada i de fysiske egenskaber af BIOX-matricen viste, at dette jernoxid har en amorf tilstand lavet af organisk/uorganisk hybridstruktur af ~3 nm størrelse nanopartikler af mange forskellige grundstoffer, herunder kulstof, fosfor, silicium, og jern.

Vigtige anvendelser af BIOX omfatter som et anodemateriale af Li-ion-batterier, katalysatorer, farvepigmentering, og innovation baseret på dette materiale høj affinitet til menneskelige celler. "Vores undersøgelser af dannelsen af ​​BIOX viser, at ekstracellulær sekretion af bakterielle polymerer udløser aflejring og binding af akvatiske uorganiske stoffer såsom Fe, si, og P, hvilket resulterer i den unikke organiske/uorganiske hybrid, " siger Takada. "Denne lavpris BIOX er et miljøvenligt og ugiftigt funktionelt materiale med en bred vifte af anvendelser, herunder produktion af fin keramik og kunst, som er rødderne til denne forskning."