Atomisk uoverensstemmelse skaber nano-håndvægte

Som snefnug, nanopartikler kommer i en bred vifte af former og størrelser. Geometrien af ​​en nanopartikel er ofte lige så indflydelsesrig som dens kemiske sammensætning til at bestemme, hvordan den opfører sig, fra dets katalytiske egenskaber til dets potentiale som en halvlederkomponent.

Takket være en ny undersøgelse fra det amerikanske energiministeriums (DOE) Argonne National Laboratory, forskere er tættere på at forstå den proces, hvorved nanopartikler lavet af mere end ét materiale - kaldet heterostrukturerede nanopartikler - dannes. denne proces, kendt som heterogen kernedannelse, er den samme mekanisme, hvorved der dannes kondens-perler på en rude.

Heterostrukturerede nanopartikler kan bruges som katalysatorer og i avancerede energikonverterings- og lagringssystemer. Typisk, disse nanopartikler er skabt af små "frø" af ét materiale, hvorpå der dyrkes et andet materiale. I dette studie, Argonne-forskerne bemærkede, at forskellene i atomarrangementerne af de to materialer har stor indflydelse på formen af ​​den resulterende nanopartikel.

"Før vi startede dette eksperiment, det var ikke helt klart, hvad der sker ved grænsefladen, når et materiale vokser på et andet, " sagde nanoforsker Elena Shevchenko fra Argonne Center for Nanoscale Materials, en DOE Office of Science brugerfacilitet.

I dette studie, forskerne observerede dannelsen af ​​en nanopartikel bestående af platin og guld. Forskerne startede med et platinfrø og dyrkede guld omkring det. I første omgang, guldet dækkede platinfrøets overflade ensartet, skabe en type nanopartikel kendt som "kerne-skal". Imidlertid, efterhånden som mere guld blev deponeret, det begyndte at vokse ujævnt, skabe en håndvægtlignende struktur.

Takket være state-of-the-art røntgenanalyse leveret af Argonnes Advanced Photon Source (APS), en DOE Office of Science brugerfacilitet, forskerne identificerede årsagen til håndvægtsdannelsen som "gittermismatch, ", hvor afstanden mellem atomerne i de to materialer ikke stemmer overens.

"I bund og grund, du kan tænke på gittermismatch som at have en række af mindre kasser på det nederste lag og større kasser på det øverste lag. Når du prøver at passe de større kasser ind i pladsen til en mindre kasse, det skaber en enorm belastning, " sagde Argonne-fysiker Byeongdu Lee.

Mens gittermismatchet kun er brøkdele af en nanometer, effekten ophobes, efterhånden som der dannes lag efter lag af guld på platinet. Uoverensstemmelsen kan håndteres af de første to lag af guldatomer – hvilket skaber kerne-skal-effekten – men bagefter viser det sig at være for meget at overvinde. "Arrangementet af atomer er det samme i de to materialer, men afstanden mellem atomer er forskellig, " sagde Argonne postdoc-forsker Soon Gu Kwon. "Til sidst, dette bliver ustabilt, og guldets vækst bliver ujævnt fordelt."

Da guldet fortsætter med at samle sig på den ene side af frø-nanopartiklerne, små mængder "glider" ned langs siden af ​​nanopartikler som sandkorn, der ruller ned ad siden af ​​en sandbakke, skabe håndvægtsformen.

Fordelen ved Argonne-studiet kommer fra forskernes evne til at udføre in situ observationer af materialet under realistiske forhold ved hjælp af APS. "Dette er første gang nogen har været i stand til at studere kinetikken af ​​denne heterogene kernedannelsesproces af nanopartikler i realtid under realistiske forhold, " sagde Argonne-fysiker Byeongdu Lee. "Kombinationen af ​​to røntgenteknikker gav os evnen til at observere materialet på både atomniveau og nanoskala, hvilket gav os et godt overblik over, hvordan nanopartiklerne dannes og transformeres." Alle konklusioner, der er lavet baseret på røntgenundersøgelserne, blev yderligere bekræftet ved hjælp af atomopløsningsmikroskopi i gruppen af ​​professor Robert Klie fra University of Illinois i Chicago.

Denne analyse af nanopartikeldannelse vil være med til at lægge grunden til dannelsen af ​​nye materialer med forskellige og kontrollerbare egenskaber, ifølge Shevchenko. "For at designe materialer, du skal forstå, hvordan disse processer foregår på et meget grundlæggende niveau, " hun sagde.

Forskningen blev delvist finansieret af National Science Foundation og University of Illinois ved Chicago Research Resources Center.

En artikel baseret på undersøgelsen, "Heterogen kernedannelse og formtransformation af multikomponent metalliske nanostrukturer, " optrådte i onlineudgaven af ​​2. november af Naturmaterialer .