Wetenschappers van de National University of Singapore observeren de realtime vorming van holle structuren in de galvanische vervangingsreactie (GR) tussen zilver en goud met een resolutie van nanometers, inzicht verwerven in de mechanismen achter de structurele transformaties.

Holle bimetalen nanodeeltjes hebben een hoge oppervlakte/volumeverhouding en zijn goede kandidaten voor het ontwikkelen van katalytische materialen omdat ze meer interacties tussen de reactanten en het katalysatoroppervlak mogelijk maken. De GR-reactie is een veelgebruikte benadering voor het vormen van dergelijke nanodeeltjes. Tijdens de reactie, structurele veranderingen worden aangedreven door een verschil in elektrochemische potentiaal tussen twee verschillende metalen in een oplossing, wat leidt tot preferentiële corrosie van het ene metaal boven het andere. Echter, het is nog steeds een uitdaging om holle bimetalen nanodeeltjes met uniforme grootte en vorm te produceren door chemische synthese, omdat de precieze rol van de groeiprocessen onduidelijk blijft.

Een team onder leiding van Prof Utkur MIRSAIDOV van zowel de afdeling Natuurkunde als de afdeling Biologische Wetenschappen, NUS heeft een mechanisch begrip gekregen van de structurele veranderingen tijdens de vorming van holle zilveren nanokubussen terwijl ze reageren met goudionen in een oplossing. Dit werd bereikt met behulp van vloeistofceltransmissie-elektronenmicroscopie (LC-TEM), dat is een nieuwe techniek in transmissie-elektronenmicroscopie waarmee wetenschappers processen in vloeistoffen kunnen onderzoeken met een resolutie van nanometers. Ze zagen in realtime dat de zilveren nanoblokjes hol worden via de formatie, groei, en samensmelting van interne holtes. Tijdens de vervangingsreactie, metallisch goud wordt afgezet op het oppervlak van de zilveren nanokubus met gelijktijdige oplossing van zilver in oplossing. De algemene veronderstelling is dat, de zilveren kern holt geleidelijk uit door een gat in de gouden schelp. Echter, ontdekte het team dat tijdens de reactie, holtes vormen zich op het grensvlak tussen de zilveren en gouden metalen, vaak in de buurt van de hoeken van de nanokubussen en dan, het uithollen gaat naar binnen.

Deze LC-TEM-waarnemingen impliceren dat een ander proces, het Kirkendall-effect (KE), draagt ​​ook bij aan het uithollen van nanodeeltjes. KE komt voor bij bimetaalinterfaces omdat de twee metalen met verschillende snelheden in elkaar diffunderen. Het resulteert in de vorming van holtes aan de kant van het sneller diffunderende metaal, wat consistent is met de LC-TEM-waarneming. Het team karakteriseerde verder de veranderingen in de structurele transformaties van de nanodeeltjes als een functie van de hoeveelheid goudionen in de oplossing en de temperatuur van hun omgeving, die allemaal wijzen op een koppeling tussen KE en GR tijdens het uithollen. De holtes groeien sneller met toenemende temperatuur, wijst op snellere atomaire diffusie en is consistent met het gedrag dat voor KE wordt verwacht.

Het belang van de bevindingen uitleggen, Prof Mirsaidov zei:"We zijn erg enthousiast over deze resultaten. Ons team is de eerste die de KE direct in realtime observeert als een voorbijgaande, tussenstadium in de uithollingsreactie tussen zilver en goud. Deze benadering kan mogelijk worden uitgebreid tot de studie van andere vloeistoffasereacties bij verhoogde temperaturen, wat ons dichter bij de werkelijke reactieomstandigheden brengt."