Selvsamling af guld nanopartikler i små klynger

Forskere ved HZB i samarbejde med Humboldt-Universitaet zu Berlin har lavet en forbløffende observation:de undersøgte dannelsen af ​​guldnanopartikler i et opløsningsmiddel og observerede, at nanopartiklerne ikke havde fordelt sig ensartet, men i stedet blev selvsamlet i små klynger.

Dette blev bestemt ved anvendelse af Small-Angle X-ray Scattering (SAXS) ved BESSY II. En grundig undersøgelse med et elektronmikroskop (TEM) bekræftede deres resultat. "Forskningen af ​​dette fænomen fortsætter nu, fordi vi er overbeviste om, at sådanne nanoklynger egner sig som katalysatorer, hvad enten det er i brændselsceller, ved fotokatalytisk vandspaltning, eller for andre vigtige reaktioner inden for kemiteknik", forklarer Dr. Armin Hoell fra HZB. Resultaterne er netop dukket op i to peer reviewed internationale akademiske tidsskrifter.

"Det særlige ved den nye proces er, at den er ekstremt enkel og fungerer med et miljøvenligt og billigt opløsningsmiddel", forklarer professor Klaus Rademann fra HU Berlin. Opløsningsmidlet består faktisk af to pulvere, som man tidligere ville forvente at finde i landbruget i et forskningslaboratorium:et tilskud til kyllingefoder (cholinklorid, aka vitamin B), og urinstof. Britiske kolleger opdagede for et par år siden, at blanding af de to pulvere danner en gennemsigtig væske, der er i stand til at opløse metaloxider og tungmetaller, kaldet dybt eutektisk opløsningsmiddel (DES). Forskerne i Berlin placerede derefter over opløsningsmiddelguldfolien, som de kunne bombardere med ioner af ædelgas for at løsne individuelle guldatomer. Sådan blev der oprindeligt dannet nanopartikler, som fordelte sig i opløsningsmidlet.

To overraskende resultater:Nanopartikler forbliver små og danner klynger

Jo længere bombardementet (sputteringen) af guldfolien varede, jo større kan nanopartiklerne blive, ræsonnerede forskerne. Imidlertid, dette var ikke tilfældet:partiklerne holdt op med at vokse ved fem nanometer. I stedet, et stigende antal nanopartikler dannet over længere forstøvningstider. Den anden overraskelse:disse nanopartikler fordelte sig ikke ensartet i væsken, men i stedet selvsamlet i små grupper eller klynger, der kunne bestå af op til tolv nanopartikler.

Den slags observationer kan ikke let laves under et mikroskop, selvfølgelig, men kræver i stedet en indirekte, statistisk tilgang:"Ved brug af småvinklet røntgenspredning ved BESSY II, vi var ikke kun i stand til at konstatere, at nanopartiklerne alle er omkring fem nanometer i diameter, men mål også, hvad adskillelserne mellem dem er. Ud fra disse målinger, vi fandt, at nanopartiklerne arrangerede sig i klynger", forklarer Hoell.

Sammenhængende billede ved simuleringer, lille vinkelspredning og elektronmikroskopi

"Vi kørte computermodeller forud for, hvordan nanopartiklerne kunne fordele sig i løsningen for bedre at forstå måleresultaterne, og sammenlignede derefter resultaterne af simuleringen med resultaterne af småvinklet røntgenspredning", forklarer Dr. Vikram Singh Raghuwanshi, der arbejder som postdoc på HU Berlin samt HZB. Et billede fra det kryogene transmissionselektronmikroskop, som kolleger på HU forberedte, bekræftede deres resultater. "Men vi kunne ikke have opnået dette resultat ved kun at bruge elektronmikroskopi, da den kun kan vise detaljer og dele af prøven", Hoell understregede. "Røntgenspredning med små vinkler er uundværlig til måling af generelle tendenser og gennemsnit!"

Opløsningsmiddel er afgørende

Det er indlysende for forskerne, at det specielle DES-opløsningsmiddel spiller en vigtig rolle i denne selvorganiserende proces:forskellige vekselvirkninger mellem opløsningsmidlets ioner og guldpartiklerne resulterer for det første i, at nanopartiklerne kun når nogle få tusinde atomer i størrelse, og for det andet at de gensidigt tiltrækker noget – men kun svagt – så de små klynger opstår. "Vi ved, imidlertid, at denne slags små klynger af nanopartikler er særligt effektive som katalysatorer for kemiske reaktioner, vi ønsker:en mangedobling i reaktionshastigheden på grund af partikelarrangement er allerede blevet demonstreret", siger Rademann.

Planlagt forskning i katalytisk ydeevne

Dr. Raghuwanshi vil holde en tale om disse resultater, udover at give en forhåndsvisning af de nu planlagte katalyseforskningstilgange, ved den internationale konference, IUCr2014, finder sted fra 5.-12. august 2014 i Montreal, Canada.

I det kommende år, HZB vil i øvrigt være en af ​​værterne for den 16. Internationale Small-Angle Scattering Conference, SAS2015.