Sinds het begin van de bronstijd, mensen hebben de voordelen ingezien van het gebruik van legeringen in plaats van afzonderlijke metalen om betere materialen te maken. Onlangs, wetenschappers hebben een recept ontdekt voor het maken van kleine structuren van twee metalen die op dezelfde manier de voorhoede van de materiaalwetenschap zouden kunnen vergroten.

Bimetaal nanodeeltjes - kleine korrels van enkele tientallen tot honderden atomen groot - zijn veelbelovend als katalysator voor een aantal verschillende toepassingen, volgens Jeffrey Elam, een chemicus bij het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van energie. Echter, tot nu toe ontbrak het de onderzoekers aan een precieze en flexibele algemene methode om ze te creëren.

Volgens Elam, traditionele methoden missen de precisie om een ​​batch puur bimetalen nanodeeltjes te maken. In plaats daarvan, ze produceren een mengsel van zowel bimetalen als monometallische nanodeeltjes, en deze verschillende nanodeeltjes hebben verschillende chemische eigenschappen.

Volgens Elam, er zijn twee belangrijke soorten bimetalen nanodeeltjes die wetenschappers proberen te ontwikkelen. In één configuratie, genaamd core-shell, het ene metaal omringt het andere volledig, zoals de snoeplaag over het chocoladecentrum van een Tootsie Pop. In de andere configuratie, een legering genoemd, de metalen zijn homogeen gemengd op atomaire schaal, zodat atomen van beide metalen op het oppervlak van het nanodeeltje aanwezig zijn.

Theoretische berekeningen voorspellen dat beide soorten bimetalen nanodeeltjes uitzonderlijke katalysatoren kunnen zijn in toepassingen zoals biobrandstoffen en brandstofcellen. Maar wetenschappers hebben geen algemene strategie gehad om elk type nanodeeltje op elk oppervlak en voor een breed scala aan verschillende metalen te synthetiseren.

Om deze beperkingen te overwinnen, Elam en zijn collega's bij Argonne wendden zich tot atomaire laagafzetting (ALD), een techniek die is ontleend aan de fabricage van halfgeleiders, waarin uiterst dunne vellen materiaal één voor één op elkaar worden gelegd. Elke keer dat een ALD "cyclus" wordt uitgevoerd, een nieuw vel materiaal van slechts enkele atomen dik wordt afgezet. ALD werd in het verleden gebruikt om een ​​verscheidenheid aan materialen te creëren met aanpasbare chemische en elektrische eigenschappen, maar tot nu toe waren onderzoekers er niet in geslaagd om selectief bimetalen nanodeeltjes te kweken met voldoende controle om succesvolle katalysatoren te creëren.

ALD is eerder gebruikt om nanodeeltjes van enkel metaal op oppervlakken te laten groeien, maar door de doorbraak van Argonne kunnen wetenschappers het tweede metaal alleen op het eerste metaal laten groeien, en niet op de omliggende oppervlakken. De sleutels waren een zorgvuldige controle van de groeitemperatuur en een oordeelkundige selectie van de gebruikte chemicaliën. Met behulp van deze strategie, de Argonne-onderzoekers waren in staat om zowel kern-schaal als legeringsnanodeeltjes te maken, terwijl ze de deeltjessamenstelling en deeltjesgrootte op verschillende oppervlakken controleerden.

"Het is alsof je een auto kunt personaliseren met de exacte functies die je wilt hebben, "Zei Elam. "Zodra we deze aangepaste nanodeeltjeskatalysatoren hebben gemaakt, we kunnen ze doorgeven aan onze wetenschappelijke collega's voor een proefrit."

Deze studie werd georganiseerd door het Institute for Atom-efficient Chemical Transformations (IACT), een Energy Frontier Research Center gefinancierd door het DOE's Office of Science. Opgericht in 2009 als een vijfjarig programma, IACT werkte samen met Argonne met Brookhaven National Laboratory, Noordwestelijke Universiteit, Purdue University en de University of Wisconsin in Madison om de efficiëntie van de omzetting van biomassagrondstoffen in brandbare brandstoffen te verbeteren.