Heusler legeringen zijn magnetische materialen gemaakt van drie verschillende metalen die niet afzonderlijk magnetisch zijn. De legeringen worden breed gebruikt vanwege hun magnetische en thermo-elektrische eigenschappen, en hun vermogen om hun oorspronkelijke vorm terug te krijgen nadat ze vervormd zijn, vormgeheugen genoemd. Onderzoeken door An-Pang Tsai en collega's van de Tohoku University laten nu zien dat deze materialen ook kunnen worden verfijnd om chemische reacties te versnellen. Dit katalytische vermogen wordt besproken in het tijdschrift Wetenschap en technologie van geavanceerde materialen .

Heusler legeringen hebben een typische samenstelling van twee delen metaal X, een deel metaal Y, en een deel metaal Z (X2YZ). Elk van de drie komt uit een afzonderlijk gebied van het periodiek systeem der elementen. De originele Heusler-legering, ontdekt in 1898, was Cu ₂ MnAl, gemaakt van koper, mangaan en aluminium. Veel andere combinaties van metalen werden later gevonden binnen de X2YZ-opstelling.

Terwijl Tsai en zijn collega's een ander type structuur aan het onderzoeken waren, zogenaamde quasikristallen, eind jaren tachtig, ze creëerden een reeks nieuwe verbindingen door bestaande elementen te vervangen door andere uit dezelfde groepen in het periodiek systeem, zolang ze een vergelijkbare atoomgrootte hadden. Dit concept hebben ze later toegepast om een ​​groot aantal nieuwe Heusler legeringen te fabriceren.

Tsai en zijn collega's onderzochten het potentieel van 12 Heusler-legeringen als katalysatoren voor propynhydrogenering, een reactie die wordt gebruikt in de kunststofindustrie, en voor de oxidatie van koolmonoxide, een belangrijk proces voor het beheersen van vervuiling. Ze gebruikten relatief goedkope elementen om hun legeringen te fabriceren en vonden veelbelovende katalysatoren die zeer selectief waren voor propynhydrogenering. Het betrof een combinatie van kobalt voor metaal X, mangaan of ijzer voor metaal Y, en gallium of germanium voor metaal Z. Het team vermoedde dat de katalytische eigenschappen van de legeringen konden worden verfijnd voor specifieke doelreacties. Ze ontdekten ook dat metaal X het belangrijkste actieve element is in deze reacties, terwijl elementen Y en Z betrokken zijn bij de activiteit van de katalysator, selectiviteit en duurzaamheid. Sommige legeringen, als een gemaakt van kobalt, titaan en tin, toonde ook belofte voor koolmonoxide-oxidatie.

Tsai en zijn collega's geloven dat materiaalinformatica, die big data gebruikt om nieuwe materialen te ontdekken, zou bijzonder relevant kunnen zijn voor de ontdekking van nieuwe katalysatoren van Heusler-legeringen vanwege hun goed gedefinieerde rangschikking.

Toekomstig onderzoek zal naar verwachting gericht zijn op het opnemen van nanodeeltjes die katalytische elementen bevatten in het kristalrooster van Heusler-legeringen. Dit zou het beschikbare oppervlak voor katalytische reacties vergroten, verbetering van de katalytische activiteit van het materiaal.

"Het was de passie van professor Tsai om met elementen te spelen en nieuwe materialen te creëren, met grote successen vanaf het begin, ", zegt Alok Singh van het Japanse National Institute for Materials Science. "Hij heeft zijn recente werken gepatenteerd, en we hopen ze in samenwerking met de industrie in werking te zien. Ondertussen, zijn collega's blijven werken aan hun ontwikkeling, met hun vooruitgang inspirerend voor verder werk."