(Phys.org) —Begrijpen wat er met een materiaal gebeurt wanneer het fasetransformaties ondergaat - verandert van een vaste stof in een vloeistof in een gas of een plasma - is van fundamenteel wetenschappelijk belang en van cruciaal belang voor het optimaliseren van commerciële toepassingen. Voor metalen nanokristallen, Er zijn aannames gedaan over de grootte-afhankelijkheid van fasetransformaties die nu opnieuw moeten worden geëvalueerd. Een team van onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het DOE heeft aangetoond dat wanneer metalen nanokristallen fasetransformaties ondergaan, grootte kan een veel groter verschil maken dan eerder werd aangenomen.

Werken bij Berkeley Lab's Molecular Foundry, een DOE Nanoscale Science Research Center, het team onder leiding van Jeffrey Urban en Stephen Whitelam ontwikkelde een unieke optische sonde op basis van luminescentie die de eerste directe waarnemingen opleverde van metalen nanokristallen die fasetransformaties ondergaan tijdens reacties met waterstofgas. Analyse van hun waarnemingen onthulde een verrassende mate van grootte-afhankelijkheid als het gaat om kritische eigenschappen als thermodynamica en kinetiek. Deze resultaten hebben belangrijke implicaties voor het toekomstige ontwerp van waterstofopslagsystemen, katalysatoren, brandstofcellen en batterijen.

"Niemand heeft ooit eerder fasetransformaties in metalen nanokristalsystemen direct waargenomen, dus niemand zag de grootte-afhankelijkheidsfactor, die werd verdoezeld door andere complicerende effecten, verborgen in het volle zicht als je wilt, Urban zegt:"De veronderstelling was geweest dat voor nanokristallen van meer dan 15 nanometer, het thermodynamische en kinetische gedrag zou in wezen bulkachtig zijn. Echter, onze resultaten laten zien dat pure grootte-effecten kunnen worden begrepen en productief kunnen worden gebruikt over een veel breder scala aan nanokristalgroottes dan eerder werd gedacht."

Stedelijk en Whitelam, beiden hebben een aanstelling bij de Materials Sciences Division van Berkeley Lab, zijn de corresponderende auteurs van een paper waarin deze studie in het tijdschrift wordt beschreven? Natuurmaterialen . Het artikel is getiteld "Het blootleggen van de intrinsieke grootte-afhankelijkheid van hydridefasetransformaties in nanokristallen." Co-auteurs zijn Rizia Bardhan, Lester Heggen, Cary Pint en Ali Javey.

Hoewel het algemeen bekend is dat materialen op nanoschaal fysieke, chemische en mechanische eigenschappen die niet op microschaal worden weergegeven, kennis over hoe deze eigenschappen kunnen worden gewijzigd als nanokristallen fasetransformaties ondergaan, ontbrak.

"Kwantitatief begrip van nanokristalfasetransformaties werd belemmerd door problemen bij het direct monitoren van goed gekarakteriseerde nanoschaalsystemen in reactieve omgevingen, ', zegt Urbanus.

Urban en zijn collega's pakten dit probleem aan met een op maat gemaakte roestvrijstalen gasdichte cel met optische ramen en verwarmingselementen en aangesloten op een hoogvacuümpomp. Ze gebruikten deze experimentele opstelling om in situ luminescentiespectra te verzamelen met een confocale Raman-microscoop terwijl palladium-nanokubussen in wisselwerking stonden met waterstofgas. De nanokubussen werden gesynthetiseerd door middel van natte chemie en waren allemaal enkelkristallijne objecten met heldere facetten en een smal bereik in grootteverdeling.

"Onze experimentele opstelling maakte snelle, directe monitoring van minuscule veranderingen in luminescentie tijdens waterstofsorptie, " zegt Urban. "Hierdoor konden we de grootte-afhankelijkheid van de intrinsieke thermodynamica en kinetiek van hydride- en dehydride-fasetransformaties blootleggen. We observeerden een dramatische afname in luminescentie toen de palladium-nanokubussen hydriden vormden. Deze verloren luminescentie werd teruggewonnen tijdens het drogen."

Een statistisch mechanisch model waarvan de ontwikkeling werd geleid door Whitelam en co-auteur Hedges, werd vervolgens gebruikt om de waarnemingsgegevens voor palladium-nanokubussen van elke omvang te kwantificeren. Vanwege de smalle grootteverdeling van de nanokubussen, Witlam, Urban en hun collega's konden een directe correlatie aantonen tussen luminescentie en faseovergangen die ook op andere metalen nanokristalsystemen kan worden toegepast.

"Eenvoudige geometrische argumenten vertellen ons dat onder bepaalde omstandigheden, thermisch aangedreven vastestoffasetransformaties worden bepaald door nanokristalafmetingen, " zegt Whitelam. "Deze argumenten suggereren verder manieren om de kinetiek van waterstofopslag in een verscheidenheid aan metalen nanokristalsystemen te optimaliseren."

De volgende stap in dit onderzoek zal zijn om de effecten van doteermiddelen op fasetransformaties in metalen nanosystemen te onderzoeken.

"Onze luminescentie-sonde en statistisch mechanisch model zijn een veelzijdige combinatie, "Stad zegt, "waardoor we kunnen kijken naar een aantal gas-nanokristallen interacties waarbij het beheersen van de thermodynamica van de interacties van het grootste belang is."