Als sneeuwvlokken, nanodeeltjes zijn er in een grote verscheidenheid aan vormen en maten. De geometrie van een nanodeeltje is vaak net zo invloedrijk als zijn chemische samenstelling om te bepalen hoe het zich gedraagt, van zijn katalytische eigenschappen tot zijn potentieel als halfgeleidercomponent.

Dankzij een nieuwe studie van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), onderzoekers zijn dichter bij het begrijpen van het proces waarbij nanodeeltjes gemaakt van meer dan één materiaal - heterogestructureerde nanodeeltjes genoemd - zich vormen. Dit proces, bekend als heterogene kiemvorming, is hetzelfde mechanisme waarmee condensdruppels op een ruit worden gevormd.

Heterogestructureerde nanodeeltjes kunnen worden gebruikt als katalysatoren en in geavanceerde energieconversie- en opslagsystemen. Typisch, deze nanodeeltjes zijn gemaakt van kleine "zaadjes" van één materiaal, waarop een ander materiaal wordt gekweekt. In dit onderzoek, de Argonne-onderzoekers merkten dat de verschillen in de atomaire rangschikking van de twee materialen een grote impact hebben op de vorm van het resulterende nanodeeltje.

"Voordat we aan dit experiment begonnen, het was niet helemaal duidelijk wat er op het grensvlak gebeurt als het ene materiaal op het andere groeit, " zei nanowetenschapper Elena Shevchenko van het Argonne Center for Nanoscale Materials, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit.

In dit onderzoek, de onderzoekers observeerden de vorming van een nanodeeltje bestaande uit platina en goud. De onderzoekers begonnen met een platinazaadje en lieten daar goud omheen groeien. aanvankelijk, het goud bedekte het oppervlak van het platinazaad gelijkmatig, het creëren van een type nanodeeltje dat bekend staat als 'core-shell'. Echter, naarmate er meer goud werd afgezet, het begon ongelijk te groeien, het creëren van een halterachtige structuur.

Dankzij ultramoderne röntgenanalyse van Argonne's Advanced Photon Source (APS), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, de onderzoekers identificeerden de oorzaak van de haltervorming als "roostermismatch, " waarin de afstand tussen de atomen in de twee materialen niet op één lijn ligt.

"Eigenlijk, je kunt een roostermismatch zien als een rij kleinere vakken op de onderste laag en grotere vakken op de bovenste laag. Wanneer u de grotere dozen in de ruimte voor een kleinere doos probeert te passen, het creëert een enorme spanning, " zei Argonne-fysicus Byeongdu Lee.

Terwijl de roostermismatch slechts fracties van een nanometer is, het effect hoopt zich op als laag na laag goud zich op het platina vormt. De mismatch kan worden aangepakt door de eerste twee lagen goudatomen - waardoor het kern-schil-effect ontstaat - maar daarna blijkt het te veel om te overwinnen. "De rangschikking van atomen is hetzelfde in de twee materialen, maar de afstand tussen atomen is anders, ", zei postdoctoraal onderzoeker Soon Gu Kwon van Argonne. "Uiteindelijk, dit wordt instabiel, en de groei van het goud wordt ongelijk verdeeld."

Terwijl het goud zich blijft ophopen aan één kant van het zaad-nanodeeltje, kleine hoeveelheden "glijden" langs de zijkant van het nanodeeltje zoals zandkorrels die langs de zijkant van een zandheuvel rollen, het creëren van de haltervorm.

Het voordeel van de Argonne-studie komt van het vermogen van de onderzoekers om in situ observaties van het materiaal uit te voeren in realistische omstandigheden met behulp van de APS. "Dit is de eerste keer dat iemand de kinetiek van dit heterogene kiemvormingsproces van nanodeeltjes in realtime onder realistische omstandigheden heeft kunnen bestuderen, " zei Argonne-fysicus Byeongdu Lee. "De combinatie van twee röntgentechnieken gaf ons de mogelijkheid om het materiaal zowel op atomair niveau als op nanoschaal te observeren, wat ons een goed beeld gaf van hoe de nanodeeltjes zich vormen en transformeren." Alle conclusies die op basis van de röntgenonderzoeken werden gemaakt, werden verder bevestigd met behulp van atomaire resolutiemicroscopie in de groep van professor Robert Klie van de Universiteit van Illinois in Chicago.

Deze analyse van de vorming van nanodeeltjes zal helpen om de basis te leggen voor de vorming van nieuwe materialen met verschillende en controleerbare eigenschappen, volgens Shevchenko. "Om materialen te ontwerpen, je moet begrijpen hoe deze processen op een heel basaal niveau gebeuren, " ze zei.

Het onderzoek werd gedeeltelijk gefinancierd door de National Science Foundation en de University of Illinois in het Chicago Research Resources Center.

Een artikel op basis van het onderzoek, "Heterogene kiemvorming en vormtransformatie van metalen nanostructuren met meerdere componenten, " verscheen in het online nummer van 2 november van Natuurmaterialen .