Projektet vil give reaktionskinetikdata til deterministisk syntese af metalliske nanokrystaller

Forskere har offentliggjort den første del af, hvad de forventer vil være en database, der viser kinetikken involveret i at producere kolloide metalnanokrystaller - som er velegnede til katalytiske, biomedicinsk, fotoniske og elektroniske applikationer – gennem en autokatalytisk mekanisme.

I den løsningsbaserede proces, forstadiekemikalier adsorberes til nanokrystalfrø, før de reduceres til atomer, der fremmer væksten af ​​nanokrystallerne. Kinetikdataene er baseret på omhyggelige systematiske undersøgelser udført for at bestemme væksthastigheder på forskellige nanokrystalfacetter - overfladestrukturer, der styrer, hvordan krystallerne vokser ved at tiltrække individuelle atomer.

I en artikel offentliggjort 11. december i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences , et forskerhold fra Georgia Institute of Technology gav et kvantitativt billede af, hvordan overfladeforhold styrede væksten af ​​palladium nanokrystaller. Arbejdet, som senere vil omfatte information om nanokrystaller lavet af andre ædelmetaller, er støttet af National Science Foundation.

"Dette er en grundlæggende undersøgelse af, hvordan katalytiske nanokrystaller vokser fra små frø, og mange mennesker, der arbejder inden for dette felt, kunne drage fordel af den systematiske, kvantitativ information, vi har udviklet, " sagde Younan Xia, professor og Brock Family Chair i Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering ved Georgia Tech og Emory University. "Vi forventer, at dette arbejde vil hjælpe forskere med at kontrollere morfologien af ​​nanokrystaller, der er nødvendige til mange forskellige applikationer."

En kritisk faktor, der styrer, hvordan nanokrystaller vokser fra små frø, er overfladeenergien af ​​de krystallinske facetter på frøene. Forskere har vidst, at energibarrierer dikterer overfladetiltrækningen for prækursorer i opløsning, men specifik information om energibarrieren for hver type facet havde ikke været let tilgængelig.

"Typisk, overfladen af ​​frøene, der bruges til at dyrke disse nanokrystaller, har ikke været homogen, " forklarede Xia, som også er Georgia Research Alliance Eminent Scholar i nanomedicin og har fælles ansættelser i School of Chemistry &Biochemistry og School of Chemical &Biomolecular Engineering. "Du kan have forskellige facetter på krystallerne, som afhænger af arrangementet af atomerne under dem. Fra synspunktet om forstadier i opløsningen omkring frøene, disse overflader har forskellige aktiveringsenergier, som bestemmer, hvor svært det vil være for forstadier eller atomer at lande på hver overflade."

Xias forskerhold designede eksperimenter for at vurdere energibarriererne på forskellige facetter, ved at bruge frø i en række forskellige størrelser og overfladekonfigurationer valgt til kun at have én type facet. Forskerne målte både væksten af ​​nanokrystallerne i opløsning og ændringen i koncentrationen af ​​palladiumtetrabromid (PdBr4 2-) prækursorsalt.

"Ved at vælge den rigtige forløber, vi kan sikre, at al den reduktion, vi måler, er på overfladen og ikke i løsningen, " forklarede han. "Det gav os mulighed for at foretage meningsfulde målinger om væksten, som styres af typen af ​​facet, samt tilstedeværelsen af ​​en tvillingegrænse, svarende til karakteristiske vækstmønstre og slutresultater."

I løbet af næsten et år, gæstende forskningsassistent Tung-Han Yang studerede nanokrystalvæksten ved hjælp af forskellige typer frø. I stedet for at tillade nanokrystalvækst fra selv-kernedannelse, Xias team valgte at studere vækst fra frø, så de kunne kontrollere de oprindelige betingelser.

Styring af formen på nanokrystallerne er afgørende for applikationer i katalyse, fotonik, elektronik og medicin. Fordi disse ædle metaller er dyre, at minimere mængden af ​​materiale, der er nødvendig til katalytiske applikationer, hjælper med at kontrollere omkostningerne.

"Når du laver katalyse med disse materialer, du vil sikre dig, at nanokrystallerne er så små som muligt, og at alle atomerne er udsat for overfladen, " sagde Xia. "Hvis de ikke er på overfladen, de vil ikke bidrage til aktiviteten og vil derfor være spildt."

Det ultimative mål med forskningen er en database, som forskere kan bruge til at guide væksten af ​​nanokrystaller med bestemte størrelser, former og katalytisk aktivitet. Ud over palladium, forskerne planlægger at offentliggøre resultaterne af kinetiske undersøgelser for guld, sølv, platin, rhodium og andre nanokrystaller. Mens mønstret af energibarrierer sandsynligvis vil være forskelligt for hver, der vil være ligheder i, hvordan energibarriererne styrer væksten, sagde Xia.

"Det er virkelig, hvordan atomerne er arrangeret på overfladen, der bestemmer overfladeenergien, " forklarede han. "Afhængigt af de involverede metaller, de nøjagtige tal vil være anderledes, men forholdet mellem facettyperne skulle være nogenlunde det samme."

Xia håber, at hans forskerholds arbejde vil føre til en bedre forståelse af, hvordan den autokatalytiske proces fungerer i syntesen af ​​disse nanomaterialer, og i sidste ende til bredere applikationer.

"Hvis du vil kontrollere morfologien og egenskaberne, du har brug for disse oplysninger, så du kan vælge den rigtige prækursor og reduktionsmiddel, " sagde Xia. "Denne systematiske undersøgelse vil føre til en database over disse materialer. Dette er kun begyndelsen på det, vi planlægger at gøre."