Onderzoekers van HZB hebben in samenwerking met Humboldt-Universitaet zu Berlin een verbazingwekkende observatie gedaan:ze onderzochten de vorming van gouden nanodeeltjes in een oplosmiddel en merkten op dat de nanodeeltjes zich niet gelijkmatig verdeelden, maar werden in plaats daarvan zelf geassembleerd tot kleine clusters.

Dit werd bepaald met behulp van Small-Angle X-ray Scattering (SAXS) bij BESSY II. Een grondig onderzoek met een elektronenmicroscoop (TEM) bevestigde hun resultaat. "Het onderzoek naar dit fenomeen gaat nu door omdat we ervan overtuigd zijn dat dergelijke nanoclusters zich lenen als katalysatoren, hetzij in brandstofcellen, bij fotokatalytische watersplitsing, of voor andere belangrijke reacties in de chemische technologie", legt dr. Armin Hoell van de HZB uit. De resultaten zijn zojuist verschenen in twee peer-reviewed internationale wetenschappelijke tijdschriften.

"Het bijzondere aan het nieuwe proces is dat het uiterst eenvoudig is en werkt met een milieuvriendelijk en goedkoop oplosmiddel", legt professor Klaus Rademann van de HU Berlijn uit. Het oplosmiddel bestaat eigenlijk uit twee poeders die je eerder in de landbouw zou verwachten dan in een onderzoekslaboratorium:een supplement in kippenvoer (cholinechloride, oftewel vitamine B), en ureum. Britse collega's ontdekten een paar jaar geleden dat het mengen van de twee poeders een transparante vloeistof vormt die metaaloxiden en zware metalen kan oplossen, diep eutectisch oplosmiddel (DES) genoemd. De onderzoekers in Berlijn plaatsten vervolgens boven de solvent-goudfolie die ze konden bombarderen met ionen van edelgas om individuele goudatomen los te maken. Zo ontstonden aanvankelijk nanodeeltjes die zich in het oplosmiddel verspreidden.

Twee verrassende resultaten:Nanodeeltjes blijven klein en vormen clusters

Hoe langer het bombardement (sputteren) van de bladgoud duurde, hoe groter de nanodeeltjes kunnen worden, redeneerden de wetenschappers. Echter, dit was niet het geval:de deeltjes stopten met groeien op vijf nanometer. In plaats daarvan, een toenemend aantal nanodeeltjes gevormd over langere sputtertijden. De tweede verrassing:deze nanodeeltjes verspreidden zich niet gelijkmatig in de vloeistof, maar in plaats daarvan zelf-geassembleerd in kleine groepen of clusters die uit maximaal twaalf nanodeeltjes kunnen bestaan.

Dit soort waarnemingen zijn niet gemakkelijk onder een microscoop te maken, natuurlijk, maar vereisen in plaats daarvan een indirecte, statistische benadering:"Met behulp van kleine-hoek röntgenverstrooiing bij BESSY II, we konden niet alleen vaststellen dat de nanodeeltjes allemaal ongeveer vijf nanometer in diameter zijn, maar meet ook wat de scheidingen ertussen zijn. Uit deze metingen we ontdekten dat de nanodeeltjes zichzelf in clusters rangschikken", legt Hoell uit.

Samenhangend beeld door simulaties, kleine hoekverstrooiing en elektronenmicroscopie

"We hebben computermodellen laten lopen van tevoren hoe de nanodeeltjes zich in de oplossing zouden kunnen verspreiden om de meetresultaten beter te begrijpen, en vervolgens de resultaten van de simulatie vergeleken met de resultaten van de kleine-hoek röntgenverstrooiing", legt Dr. Vikram Singh Raghuwanshi uit, die als postdoc zowel bij de HU Berlijn als bij de HZB werkt. Een beeld van de cryogene transmissie-elektronenmicroscoop die collega's van HU maakten, bevestigde hun bevindingen. "Maar we hadden dit resultaat niet kunnen bereiken met alleen elektronenmicroscopie, omdat het alleen details en secties van het monster kan weergeven", benadrukte Hoell. "Kleine-hoek röntgenverstrooiing is onmisbaar voor het meten van algemene trends en gemiddelden!"

Oplosmiddel is cruciaal

Het is de onderzoekers duidelijk dat het speciale DES-oplosmiddel een belangrijke rol speelt in dit zelforganiserende proces:verschillende interacties tussen de ionen van het oplosmiddel en de gouddeeltjes zorgen er eerst voor dat de nanodeeltjes slechts enkele duizenden atomen groot worden, en ten tweede dat ze elkaar enigszins – maar slechts zwak – aantrekken zodat de kleine clusters ontstaan. "Wij weten, echter, dat dit soort kleine clusters van nanodeeltjes vooral effectief zijn als katalysatoren voor chemische reacties die we willen:een veelvoudige toename van de reactiesnelheid alleen door deeltjesrangschikking is al aangetoond", zegt Rademan.

Onderzoek naar katalytische prestaties gepland

Dr. Raghuwanshi zal een lezing geven over deze resultaten, evenals een voorproefje van de nu geplande onderzoeksbenaderingen voor katalyse, op de internationale conferentie, IUCr2014, vindt plaats van 5-12 augustus 2014 in Montreal, Canada.

In het komende jaar, HZB zal overigens een van de gastheren zijn van de 16e International Small-Angle Scattering Conference, SAS2015.