Forskere ser nanopartikler vokse:Analyse gør det muligt at skræddersy materialer til omskiftelige vinduer, solceller

Med DESYs røntgenlyskilde PETRA III, Danske forskere observerede væksten af ​​nanopartikler levende. Undersøgelsen viser, hvordan wolframoxid-nanopartikler dannes fra opløsning. Disse partikler bruges for eksempel til smarte vinduer, som bliver uigennemsigtige ved et tryk på en kontakt, og de bruges også i særligt solceller. Holdet omkring hovedforfatter Dr. Dipankar Saha fra Århus Universitet præsenterer deres observationer i det videnskabelige tidsskrift Angewandte Chemie International Edition .

Til deres undersøgelse, forskerne byggede et lille reaktionskammer, som er gennemsigtig for røntgenstråler. "Vi bruger fine kapillærer af safir eller smeltet silica, som er let gennemtrængelige af røntgenstråler, sagde professor Bo Iversen, leder af forskningsgruppen. I disse kapillærer, forskerne omdannede såkaldt ammoniummetawolframat opløst i vand til nanopartikler ved høj temperatur og højt tryk. Med det strålende PETRA III røntgenlys, kemikerne var i stand til at spore væksten af ​​små wolframtrioxidpartikler (WO ₃ ) med en typisk størrelse på omkring ti nanometer fra opløsningen i realtid.

"Røntgenmålingerne viser materialets byggesten, " sagde medforfatter Dr. Ann-Christin Dippel fra DESY, videnskabsmand ved beamline P02.1, hvor forsøgene blev udført. "Med vores metode, vi er i stand til at observere materialets struktur på atomær længdeskala. Det specielle her er muligheden for at følge dynamikken i vækstprocessen, " Dippel påpeger. "De forskellige krystalstrukturer, der dannes i disse nanopartikler, er allerede kendt. Men nu kan vi spore i realtid transformationsmekanismen af ​​molekyler til nanokrystaller. Vi ser ikke kun rækkefølgen af ​​processen, men også hvorfor specifikke strukturer dannes."

På det molekylære plan, de grundlæggende enheder af mange metal-iltforbindelser som oxider er oktaedre, som består af otte lige store trekanter. Disse oktaedre kan dele hjørner eller kanter. Afhængigt af deres konfiguration, de resulterende forbindelser har forskellige egenskaber. Dette gælder ikke kun for wolframtrioxid, men er grundlæggende anvendeligt til andre materialer.

Oktaedre-enhederne i opløsningerne vokser op til nanopartikler, med en ti nanometer lille partikel inklusive omkring 25 oktaedre. "Vi var i stand til at fastslå, at i første omgang, begge strukturelementer findes i det originale materiale, forbindelsen med hjørner og kanter, " sagde Saha. "I løbet af reaktionen, oktaedrene omarrangerer:jo længere du venter, jo mere forsvinder kantforbindelsen, og forbindelsen ved hjørner bliver hyppigere. De nanopartikler, der udviklede sig i vores undersøgelser, har en overvejende ordnet krystalstruktur."

I den kontinuerlige industrielle syntese, denne proces sker så hurtigt, at det hovedsageligt producerer nanopartikler med blandede uordnede strukturer. "Ordered structures are produced when nanoparticles get enough time to rearrange, " said Saha. "We can use these observations for example to make available nanoparticles with special features. This method is also applicable to other nanoparticles."