Forskere blander det ublandbare for at skabe chokerende nanopartikler

Et kæmpe spring i det 'lille' felt inden for nanovidenskab, et multiinstitutionelt team af forskere er de første til at skabe nanoskala partikler sammensat af op til otte forskellige elementer, der generelt vides at være ublandbare, eller ude af stand til at blive blandet eller blandet sammen. Blandingen af ​​flere, ublandbare elementer til en samlet, homogen nanostruktur, kaldet en nanopartikel med høj entropi -legering, udvider landskabet af nanomaterialer i høj grad - og hvad vi kan gøre med dem.

Denne forskning gør et betydeligt fremskridt i forhold til tidligere bestræbelser, der typisk har produceret nanopartikler begrænset til kun tre forskellige elementer og til strukturer, der ikke blandes jævnt. I det væsentlige, det er ekstremt svært at klemme og blande forskellige elementer i individuelle partikler på nanoskalaen. Holdet, som omfatter forskere ved University of Maryland, College Park (UMD) 's A. James Clark School of Engineering, udgivet et fagfællebedømt papir baseret på den forskning, der blev præsenteret på 30. marts omslag af Videnskab .

"Forestil dig de elementer, der kombineres til at lave nanopartikler som Lego -byggesten. Hvis du kun har en til tre farver og størrelser, så er du begrænset af hvilke kombinationer du kan bruge, og hvilke strukturer du kan samle, "forklarer Liangbing Hu, lektor i materialevidenskab og teknik ved UMD og en af ​​de tilsvarende forfattere til papiret. "Det, vores team har gjort, er i det væsentlige at forstørre legetøjskisten i nanopartikelsyntese; nu, vi er i stand til at bygge nanomaterialer med næsten alle metalliske og halvlederelementer. "

Forskerne siger, at dette fremskridt inden for nanovidenskaben åbner store muligheder for en lang række anvendelser, der omfatter katalyse (acceleration af en kemisk reaktion med en katalysator), energilagring (batterier eller superkapacitorer), og bio/plasmonisk billeddannelse, blandt andre.

For at skabe nanopartikler med høj entropi -legering, forskerne anvendte en totrinsmetode til flashopvarmning efterfulgt af flashkøling. Metalliske elementer såsom platin, nikkel, jern, kobolt, guld, kobber, og andre blev udsat for et hurtigt termisk chok på cirka 3, 000 grader Fahrenheit, eller omkring halvdelen af ​​solens temperatur, i 0,055 sekunder. Den ekstremt høje temperatur resulterede i ensartede blandinger af flere elementer. Den efterfølgende hurtige afkøling (mere end 100, 000 grader Fahrenheit i sekundet) stabiliserede de nyligt blandede elementer i det ensartede nanomateriale.

"Vores metode er enkel, men en, som ingen andre har anvendt til skabelsen af ​​nanopartikler. Ved at bruge en fysisk videnskabelig tilgang, frem for en traditionel kemi tilgang, vi har opnået noget hidtil uset, "siger Yonggang Yao, en ph.d. studerende ved UMD og en af ​​hovedforfatterne af papiret.

For at demonstrere en mulig brug af nanopartiklerne, forskergruppen brugte dem som avancerede katalysatorer til ammoniakoxidation, hvilket er et vigtigt trin i produktionen af ​​salpetersyre (en flydende syre, der bruges til fremstilling af ammoniumnitrat til gødning, fremstilling af plast, og ved fremstilling af farvestoffer). De var i stand til at opnå 100 procent oxidation af ammoniak og 99 procent selektivitet mod ønskede produkter med de høje entropylegerede nanopartikler, beviser deres evne som yderst effektive katalysatorer.

Yao siger, at en anden potentiel brug af nanopartiklerne som katalysatorer kan være dannelse af kemikalier eller brændstoffer fra kuldioxid.

"De potentielle anvendelser for nanopartikler med høj entropi-legering er ikke begrænset til katalysefeltet. Med tværdisciplinær nysgerrighed, de påviste anvendelser af disse partikler vil blive endnu mere udbredt, "siger Steven D. Lacey, en ph.d. studerende ved UMD og også en af ​​hovedforfatterne til papiret.

Denne forskning blev udført gennem et multiinstitutionelt samarbejde mellem Prof. Liangbing Hu's gruppe ved University of Maryland, College Park; Prof. Reza Shahbazian-Yassars gruppe ved University of Illinois i Chicago; Prof. Ju Li's gruppe ved Massachusetts Institute of Technology; Prof. Chao Wangs gruppe ved Johns Hopkins University; og Michael Zachariahs gruppe ved University of Maryland, College Park.

"Dette er ganske fantastisk; Dr. Hu kom kreativt med denne kraftfulde teknik, carbo-termisk choksyntese, at producere høje entropylegeringer af op til otte forskellige elementer i en enkelt nanopartikel. Dette er virkelig utænkeligt ved syntese af bulkmaterialer. Dette er endnu et smukt eksempel på nanovidenskab !, "siger Peidong Yang, den S.K. og Angela Chan Fremstående professor i energi og professor i kemi ved University of California, Berkeley og medlem af American Academy of Arts and Sciences.

"Denne opdagelse åbner mange nye retninger. Der er simuleringsmuligheder til at forstå den elektroniske struktur af de forskellige sammensætninger og faser, der er vigtige for den næste generation af katalysatordesign. Også, at finde sammenhænge mellem synteseruter, sammensætning, og fasestruktur og ydeevne muliggør et paradigmeskift mod guidet syntese, "siger George Crabtree, Argonne Distinguished Fellow og direktør for Joint Center for Energy Storage Research ved Argonne National Laboratory.