Een nieuwe studie van de North Carolina State University toont aan dat grootte een sleutelrol speelt bij het bepalen van de structuur van bepaalde holle nanodeeltjes. De onderzoekers richtten zich op nikkel nanodeeltjes, die interessante magnetische en katalytische eigenschappen hebben die toepassingen kunnen hebben op uiteenlopende gebieden als energieproductie en nano-elektronica.

"De principes die we hier ontdekken, hebben een groot potentieel voor nanofabricage - het creëren van materialen met zeer kleine kenmerken, met vele toepassingen op gebieden variërend van elektronica tot geneeskunde, " zegt dr. Joe Tracy, een assistent-professor materiaalkunde en engineering bij NC State en co-auteur van de studie. "Deze studie verbetert ons begrip van holle nanodeeltjes en vormt een basis voor toekomstig werk aan toepassingen in magnetische registratie met ultrahoge dichtheid en efficiëntere katalysatoren, die nuttig is voor chemische productie, afvalverwerking en energieproductie."

Het gaat om de oxidatie van nikkel nanodeeltjes. Als je begint met een "kern" stuk nikkel en het oxideert, blootstelling aan zuurstof bij hoge temperaturen, de structuur van het materiaal verandert. Als het materiaal gedeeltelijk wordt geoxideerd - gedurende een beperkte tijd blootgesteld aan zuurstof en hoge hitte - vormt zich een solide nikkeloxide-omhulsel rond het materiaal.

Als het materiaal langere tijd wordt blootgesteld aan hitte en zuurstof, verdere oxidatie optreedt. De buitenste schil blijft, maar nikkel wordt uit de kern getransporteerd, een leegte achterlaten. Als het materiaal volledig geoxideerd is, er wordt een grotere leegte gecreëerd - waardoor de nikkeloxide-omhulling effectief hol blijft. Deze omzetting van vaste naar holle nanodeeltjes staat bekend als het "nanoschaal Kirkendall-effect".

Maar wat NC State-onderzoekers hebben gevonden, is dat de grootte van de nikkelkern ook een sleutelrol speelt in de structuur van deze deeltjes. Bijvoorbeeld, in kleinere nikkel nanodeeltjes - die met kernen met een diameter kleiner dan 30 nanometer (nm) - wordt tijdens oxidatie een enkele leegte in de schaal gevormd. Dit resulteert in een asymmetrische kern van nikkel, met een enkele leegte die aan één kant van de kern groeit. De resterende kern krimpt naarmate het oxidatieproces doorgaat. Dit is aanzienlijk, gedeeltelijk, omdat de nikkeloxide-omhulling steeds dikker wordt aan de kant die tegen de kern aanligt. Hoe groter de kern - binnen de limiet van 30 nm - hoe dikker die kant van de schaal wordt. Met andere woorden, je krijgt een nikkeloxide-omhulsel dat aan de ene kant aanzienlijk dikker kan zijn dan aan de andere kant.

Echter, de onderzoekers ontdekten dat grotere nikkel-nanodeeltjes iets heel anders doen. De onderzoekers testten nanodeeltjes met nikkelkernen met een diameter van 96 nm, en ontdekte dat het oxidatieproces in deze nanodeeltjes meerdere holtes in de kern creëerde - hoewel de kern zelf volledig omringd bleef door de nikkeloxide-omhulling. Dit proces resulteerde effectief in de vorming van bellen door de kern. De "skeletten" van die bubbels bleven nog steeds, zelfs na volledige oxidatie, het creëren van een in wezen holle schaal die nog steeds doorkruist was met enkele overblijfselen van de nikkelkern.

"Dit vertelt ons veel over het maken van structuren op nanoschaal met behulp van het Kirkendall-effect op nanoschaal, "zegt Tracy. "Het is een bouwsteen voor toekomstig onderzoek in het veld."