Hvordan opfører meget små partikler sig ved meget høje temperaturer?

En nanomaterialeekspert fra Swansea University har set på, hvordan små guldpartikler overlever, når de udsættes for meget høje temperaturer.

Forskningen er vigtig for ingeniørsektoren for nogle potentielle anvendelser af nanoteknologi, for eksempel inden for katalyse og rumfart, hvor partikler af kun nanometer dimensioner udsættes for meget høje temperaturer.

Resultaterne af undersøgelsen, som var et 3-vejs samarbejde mellem Birmingham, Swansea og Genova University, blev offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Naturkommunikation . Undersøgelsen viste, at guldnanopartikler af præcist udvalgt størrelse (561 atomer ±14) er bemærkelsesværdigt robuste over for diffusion og aggregering, men deres indre atomarrangementer ændrer sig.

Forskerne brugte en ultrastabil, trin med variabel temperatur i et aberrationskorrigeret scanningstransmissionselektronmikroskop for at udsætte en række størrelsesudvalgte guldnanopartikler (eller klynger) for temperaturer så høje som 500 °C, mens de afbildes med atomopløsning. Partiklerne blev aflejret fra en nanopartikelkilde på tynde film af siliciumnitrid eller kulstof.

De to alternative arkitekturer af guldnanoclusterne, der indeholder 561 atomer

Forsøgene viste, at binding af guldnanopartikler til overfladen, ved punktdefekter, viste sig at være tilstrækkelig stærk til at reparere dem, selv i toppen af ​​temperaturområdet. Men klyngernes atomare strukturer svingede under varmebehandlingen, skifte frem og tilbage mellem to hovedatom-konfigurationer ("isomerer"):disse var en ansigtscentreret kubisk struktur, ligner et lille stykke bulk guld, og et dekaedrisk arrangement med en symmetri forbudt i en forlænget krystal. Forskerne var endda i stand til at måle den lille forskel i energi (kun 40 meV) mellem disse to forskellige atomare arkitekturer.

Professor Richard Palmer, leder af Nanomaterials Lab i Swansea University's College of Engineering, kommenterede:"Disse avancerede eksperimenter har givet os mulighed for at foretage en ny måling for nanopartikler aflejret på en overflade - forskellen i energi mellem to konkurrerende atomarrangementer. Det er noget, som de mennesker, der bruger computere til at beregne egenskaberne af nanomaterialer, er særligt begejstrede for, et slags referencepunkt, hvis du vil. Og billederne viser, at vores små nanopartikler virkelig er ret hårde væsner, hvilket lover ret godt for deres anvendelser i fremtidig industriel fremstilling."

Swansea Labs forskning er fokuseret på at opskalere produktionen af ​​sådanne nanopartikler med 10 millioner gange til gramniveau, og videre. Som prof Palmer siger:"Vi har brug for meget små ting i meget stort antal for at realisere nanoteknologiens sande potentiale".