Chemici van The College of Arts and Sciences hebben ontdekt hoe ze nanomaterialen kunnen synthetiseren met roestvrijstalen-achtige interfaces. Hun ontdekking kan veranderen hoe de vorm en structuur van nanomaterialen worden gemanipuleerd, met name die welke worden gebruikt voor gasopslag, heterogene katalyse en lithium-ionbatterijen.

De bevindingen zijn het onderwerp van een artikel van 24 juli in het tijdschrift Klein , co-auteur van universitair hoofddocent Mathew M. Maye en onderzoeksassistent Wenjie Wu G'11, G'13.

Tot nu, wetenschappers hebben veel natchemische benaderingen gebruikt - gezamenlijk bekend als colloïdale synthese - om reacties te manipuleren waarin metaalionen legeringen vormen op nanoschaal. Hier, metalen nanodeeltjes zijn doorgaans 2 tot 50 nanometer groot en hebben zeer unieke eigenschappen, waaronder diverse kleuren, hoge reactiviteit en nieuwe chemie.

Maye en Wu maken deel uit van een groeiend team van internationale scheikundigen en materiaalwetenschappers die nieuwe manieren bedenken om de grootte te veranderen, vorm en samenstelling van nanodeeltjes.

"Bij SU, we hebben een nieuwe synthetische route ontwikkeld om de interne microstructuur van nanomaterialen aan te passen, " zegt May, wiens onderzoek de anorganische chemie omvat, katalyse, materiaal kunde, zelfassemblage en biotechnologie.

Maye's aanpak begint met een voorgesynthetiseerde kern van ijzernanodeeltjes. Na het synthetiseren van de kern in zijn kristallijne metallische vorm, hij en Wu chemisch deponeren dunne schelpen van chroom op het ijzer. Wanneer de "kern/schil" nanodeeltjes worden blootgesteld aan hoge temperaturen, zij gloeien. Bovendien, het ijzer en chroom diffunderen in elkaar, het vormen van een schaal van een ijzer-chroomlegering. Dus, het product "kern/legering" heeft een interface die vergelijkbaar is met sommige vormen van roestvrij staal.

Omdat roestvrij staal bekend staat om zijn weerstand tegen oxidatie, de grote uitdaging voor Maye en Wu was om erachter te komen hoe nanodeeltjes tijdens dit proces omgaan.

"We hebben ontdekt dat nanodeeltjes een uniek gedrag vertonen wanneer ze worden geoxideerd, "zegt hij. "Een dunne, ijzer-chroomoxide schaalvormen, waardoor een niet-geoxideerde ijzeren kern achterblijft. Nog interessanter is het feit dat zich een leegte vormt, het scheiden van de kern van de schaal. Dit fenomeen staat in de materiaalkunde bekend als Kirkendall Diffusion, of Vacature Coalescentie."

Dit soort werk, hij voegt toe, niet mogelijk zou zijn zonder hoge resolutie elektronenmicroscopie, Röntgendiffractie en magnetische metingen.

Hoewel fabricage van "kern/legeringen" een nieuwe benadering is, het kan meer diverse vormen van gelegeerde nanomaterialen mogelijk maken.

"De meeste legeringen nemen we als vanzelfsprekend aan op macroschaal, zoals staal, zijn moeilijk te fabriceren op nanoschaal, vanwege het gemak van oxidatie en andere specifieke omstandigheden die vereist zijn, "zegt Maye. "Onze aanpak kan nieuwe deuren openen."

Een ontvanger van vele onderscheidingen en prijzen, waaronder de Presidential Early Career Award voor wetenschappers en ingenieurs, Maye trad in 2008 toe tot de faculteit van de SU.

Wu, wiens expertise de synthese van nanomaterialen omvat, was de hoofdstudent van het project. In augustus, ze verdient een Ph.D. in anorganische chemie van SU.