Een internationaal team van onderzoekers heeft baanbrekende elektronenmicroscopietechnieken gebruikt om een ​​belangrijk mechanisme te ontdekken achter de reactie van metalen nanodeeltjes met de omgeving.

Cruciaal, het onderzoek geleid door de Universiteit van York en gerapporteerd in Natuurmaterialen , laat zien dat oxidatie van metalen - het proces dat beschrijft, bijvoorbeeld, hoe ijzer reageert met zuurstof, in aanwezigheid van water, om roest te vormen - gaat veel sneller in nanodeeltjes dan op macroscopische schaal. Dit komt door de grote hoeveelheid spanning die in de nanodeeltjes wordt geïntroduceerd vanwege hun grootte die meer dan duizend keer kleiner is dan de breedte van een mensenhaar.

Het verbeteren van het begrip van metallische nanodeeltjes - met name die van ijzer en zilver - is van cruciaal belang voor wetenschappers vanwege hun vele potentiële toepassingen. Bijvoorbeeld, ijzer- en ijzeroxide-nanodeeltjes worden als belangrijk beschouwd op gebieden variërend van schone brandstoftechnologieën, gegevensopslag en katalyse met hoge dichtheid, naar waterbehandeling, bodemsanering, gerichte medicijnafgifte en kankertherapie.

Het onderzoeksteam, waaronder ook wetenschappers van de Universiteit van Leicester, het Nationaal Instituut voor Materiaalkunde, Japan en de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, VS, gebruikte de ongekende resolutie die haalbaar is met aberratie-gecorrigeerde scanning transmissie-elektronenmicroscopie om de oxidatie van kubusvormige ijzernanodeeltjes te bestuderen en stamanalyse op atomair niveau uit te voeren.

Hoofdonderzoeker dr. Roland Kröger, van de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van York, zei:"Met behulp van een in York en Leicester ontwikkelde aanpak voor het produceren en analyseren van zeer goed gedefinieerde nanodeeltjes, we waren in staat om de reactie van metalen nanodeeltjes met de omgeving op atomair niveau te bestuderen en om informatie te verkrijgen over de spanning geassocieerd met de oxideschil op een ijzeren kern.

"We ontdekten dat de oxidefilm veel sneller groeit op een nanodeeltje dan op een bulk eenkristal van ijzer - in feite vele orden van grootte sneller. Analyse toonde aan dat er een verbazingwekkende hoeveelheid spanning en buiging was in nanodeeltjes, wat zou leiden tot defecten in bulk materiaal."

De wetenschappers gebruikten een methode die bekend staat als Z-contrast imaging om de oxidelaag te onderzoeken die zich rond een nanodeeltje vormt na blootstelling aan de atmosfeer. en ontdekte dat binnen twee jaar de deeltjes volledig waren geoxideerd.

Corresponderende auteur Dr. Andrew Pratt, van de afdeling Natuurkunde van York en het Japanse National Institute for Materials Science, zei:"Oxidatie kan de eigenschappen van een nanomateriaal drastisch veranderen - ten goede of ten kwade - en daarom is het van cruciaal belang om dit proces op nanoschaal te begrijpen. Dit werk zal daarom diegenen helpen die metalen nanodeeltjes willen gebruiken in milieu- en technologische toepassingen, omdat het een diepere inzicht in de veranderingen die kunnen optreden gedurende hun gewenste functionele levensduur."

Het experimentele werk werd uitgevoerd in het York JEOL Nanocentre en de afdeling Natuurkunde aan de Universiteit van York, de afdeling Natuur- en Sterrenkunde aan de Universiteit van Leicester en het Frederick-Seitz Instituut voor Materiaalonderzoek aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign.

De wetenschappers verkregen beelden over een periode van twee jaar. Na deze tijd, de ijzeren nanodeeltjes, die oorspronkelijk kubusvormig waren, waren bijna bolvormig geworden en waren volledig geoxideerd.

Professor Chris Binns, van de Universiteit van Leicester, zei:"Bij Leicester hebben we jarenlang synthesetechnieken ontwikkeld om zeer goed gedefinieerde nanodeeltjes te produceren en het is geweldig om deze technologie te combineren met de uitstekende faciliteiten en expertise in York om dergelijke indringende wetenschap te doen. Dit werk is nog maar het begin en we zijn van plan gebruik te maken van onze complementaire capaciteiten om een ​​breder samenwerkingsprogramma te starten."