Forskere bruger atomlagsaflejring til at dyrke bimetalliske nanopartikler

Siden bronzealderens begyndelse, folk har værdsat fordelene ved at bruge legeringer frem for enkeltmetaller til at lave bedre materialer. For nylig, forskere har opdaget en opskrift på at lave små to-metalstrukturer, der på samme måde kan udvide forkanten af ​​materialevidenskab.

Bimetalliske nanopartikler - bittesmå korn på et par dusin til hundredvis af atomer i størrelse - lover enormt meget som katalysatorer til en række forskellige anvendelser, ifølge Jeffrey Elam, en kemiker ved det amerikanske energiministeriums Argonne National Laboratory. Imidlertid, indtil nu manglede forskere en præcis og fleksibel generel metode til at skabe dem.

Ifølge Elam, traditionelle metoder mangler præcisionen til at lave et parti af rent bimetalliske nanopartikler. I stedet, de producerer en blanding af både bimetalliske og monometalliske nanopartikler, og disse forskellige nanopartikler har forskellige kemiske egenskaber.

Ifølge Elam, der er to hovedtyper af bimetalliske nanopartikler, som videnskabsmænd forsøger at konstruere. I én konfiguration, kaldet kerne-skal, det ene metal omgiver fuldstændigt det andet, som slikovertrækket over chokoladecentret på en Tootsie Pop. I den anden konfiguration, kaldet en legering, metallerne er homogent blandet på atomær skala, således at atomer af begge metaller er til stede på overfladen af ​​nanopartikler.

Teoretiske beregninger forudsiger, at begge typer bimetalliske nanopartikler kan være exceptionelle katalysatorer i applikationer som biobrændstoffer og brændselsceller. Men videnskabsmænd har manglet en generel strategi til at syntetisere begge typer nanopartikler på enhver overflade og for en bred vifte af forskellige metaller.

For at overvinde disse begrænsninger, Elam og hans kolleger i Argonne vendte sig mod atomlagsdeposition (ALD), en teknik lånt fra halvlederfremstilling, hvor ekstremt tynde materialeplader lægges oven på hinanden en ad gangen. Hver gang en ALD "cyklus" udføres, et nyt ark materiale, der kun er få atomer tykt, aflejres. ALD var tidligere blevet brugt til at skabe en række materialer med tilpasselige kemiske og elektriske egenskaber, men indtil nu havde forskere ikke været i stand til selektivt at dyrke bimetalliske nanopartikler med tilstrækkelig kontrol til at skabe succesfulde katalysatorer.

ALD er tidligere blevet brugt til at dyrke enkelt-metal nanopartikler på overflader, men Argonne-gennembruddet lader videnskabsmænd dyrke det andet metal kun på det første metal, og ikke på de omgivende overflader. Nøglerne involverede omhyggelig kontrol af væksttemperaturen og velovervejet udvælgelse af de anvendte kemikalier. Ved at bruge denne strategi, Argonne-forskerne var i stand til at lave både kerneskal- og legeringsnanopartikler, mens de kontrollerede partikelsammensætningen og partikelstørrelsen på en række forskellige overflader.

"Det er som at være i stand til at tilpasse en bil med de præcise funktioner, du ønsker, den skal have, " sagde Elam. "Når vi har skabt disse tilpassede nanopartikelkatalysatorer, vi kan give dem videre til vores videnskabelige kolleger til en prøvetur."

Denne undersøgelse blev organiseret af Institute for Atom-efficient Chemical Transformations (IACT), et Energy Frontier Research Center finansieret af DOE's Office of Science. Grundlagt i 2009 som et femårigt program, IACT samarbejdede Argonne med Brookhaven National Laboratory, Northwestern University, Purdue University og University of Wisconsin i Madison for at forbedre effektiviteten af ​​omdannelsen af ​​biomasseråvarer til brændbare brændstoffer.