(Phys.org) —Goudstaven kunnen grote rijkdom betekenen, maar het edelmetaal heeft een veel praktischer effect als het wordt gekrompen tot slechts miljardsten van een meter. Helaas, het ontsluiten van het potentieel van goud vereist vaak complexe synthesetechnieken die delicate structuren produceren met extreme gevoeligheid voor warmte.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie hebben een proces ontdekt voor het creëren van uniek gestructureerde goud-indium-nanodeeltjes die een hoge stabiliteit combineren, groot katalytisch potentieel, en een eenvoudig syntheseproces. De nieuwe nanostructuren - online gedetailleerd op 10 juni in de Proceedings van de National Academy of Sciences - kunnen veel verschillende commerciële en industriële processen verbeteren, waaronder het optreden als een efficiënt materiaal voor katalysatoren in auto's.

"We ontdekten een proces bij kamertemperatuur dat een eenvoudige legering transformeert in een nanostructuur met opmerkelijke eigenschappen, " zei natuurkundige Eli Sutter, hoofdauteur van het onderzoek. "Door de nanodeeltjes van de goud-indiumlegering bloot te stellen aan lucht, omgevingszuurstof was in staat om een ​​oxidatiereactie aan te drijven die ze in een actieve kern-schilstructuur heeft omgezet."

Grotere brokken goud vertonen de laagste chemische reactiviteit van alle metalen, maar verdeeld in discrete nanodeeltjes, goud kan een zeer actieve chemische katalysator worden. Maar goud in deze actieve staat houden is een voortdurende uitdaging. Onder zelfs matige hitte, de kleine gouddeeltjes hebben de neiging om te sinteren - samensmelten tot veel grotere stukken - en verliezen die cruciale reactiviteit. Goud verbinden met andere elementen, echter, kan zowel de duurzaamheid verhogen als de katalysatorkwaliteiten behouden, maar alleen als de structuur perfect is.

"Toen we deze nieuwe nanodeeltjes met goud door hun amorfe omhulsels zagen, we herkenden onmiddellijk het uitzonderlijke potentieel van het materiaal, " zei natuurkundige en co-auteur Peter Sutter. "De aanwezigheid van goud ingebed in de buitenste atomaire lagen van de oxideschil windt ons als wetenschappers niet alleen op, maar het is de sleutel tot de katalytische activiteit en verbeterde stabiliteit van het nieuwe materiaal."

De onderzoekers van Brookhaven Lab bestudeerden oxidatieprocessen waardoor metalen en legeringen zich combineren met zuurstof toen ze de ontdekking deden. Voor deze studie is ze onderzochten legeringen van een edel metaal en een niet-edel metaal via een opmerkelijk eenvoudige reactietechniek:goud-indium nanodeeltjes een beetje ademruimte geven. Zodra nanodeeltjes van de metaallegering werden blootgesteld aan zuurstof, zeer reactieve schelpen van goud-indiumoxide gevormd over hun oppervlakken.

"Conventionele wijsheid zou zeggen dat oxidatie de goudatomen naar het centrum zou moeten duwen terwijl het minder edele indium naar de oppervlakte zou worden getrokken, het creëren van een edelmetaalkern die is omgeven door een omhulsel van niet-reactief indiumoxide, ' zei Peter Sutter. 'In plaats daarvan, de zuurstof drong daadwerkelijk de legering binnen. Na oxidatie, de kern van de legering van de nanodeeltjes was ingekapseld door een nieuw gevormde dunne schil van gemengd goud-indiumoxide."

Door goud in de amorfe oxideschaal op te sluiten, behoudt het zijn katalytische eigenschappen en voorkomt het dat het goud gaat sinteren en inert wordt. De nieuwe nanostructuren bleken in staat om zuurstof en koolmonoxide om te zetten in kooldioxide, waaruit hun activiteit als katalysator blijkt.

"Het indium en goud in de schelp zijn niet mobiel, maar zijn bevroren in het amorfe, oxyde, "Zei Eli Sutter. "Belangrijk, de structurele integriteit houdt zonder sinteren bij temperaturen tot 300 graden Celsius, waardoor deze opmerkelijk veerkrachtig zijn in vergelijking met andere gouden nanokatalysatoren."

Het onderzoek werd uitgevoerd bij Brookhaven Lab's Centre for Functional Nanomaterials (CFN), wiens unieke faciliteiten voor synthese en karakterisering op nanoschaal centraal stonden bij de ontdekking van dit nieuwe proces.

"De CFN brengt een breed scala aan state-of-the-art instrumenten en expertise samen onder één dak, het versnellen van onderzoek en het faciliteren van samenwerking, Eli Sutter zei. "We gebruikten transmissie-elektronenmicroscopie om de structuren en hun samenstelling te karakteriseren, röntgenfoto-elektronenspectroscopie om de chemische binding aan het oppervlak te bepalen, en ionenverstrooiende spectroscopie om de buitenste atomen van de nanodeeltjesschil te identificeren."

Verder onderzoek zal helpen bij het bepalen van de eigenschappen van de goud-indiumoxidedeeltjes in verschillende katalytische reacties, en hetzelfde oxidatieproces zal worden toegepast op andere metaallegeringen om een ​​hele familie van nieuwe functionele materialen te creëren.