Onderzoekers hebben het eerste deel gepubliceerd van wat zij verwachten een database te zijn die de kinetiek toont die betrokken is bij de productie van colloïdale metalen nanokristallen - die geschikt zijn voor katalytische, biomedisch, fotonische en elektronische toepassingen – via een autokatalytisch mechanisme.

In het oplossingsgerichte proces voorloperchemicaliën adsorberen aan nanokristalzaden voordat ze worden gereduceerd tot atomen die de groei van de nanokristallen voeden. De kinetische gegevens zijn gebaseerd op nauwgezette systematische onderzoeken die zijn uitgevoerd om groeisnelheden te bepalen op verschillende nanokristalfacetten - oppervlaktestructuren die bepalen hoe de kristallen groeien door individuele atomen aan te trekken.

In een artikel gepubliceerd op 11 december in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences , een onderzoeksteam van het Georgia Institute of Technology gaf een kwantitatief beeld van hoe de oppervlakteomstandigheden de groei van palladium-nanokristallen regelden. Het werk, die later informatie zal bevatten over nanokristallen gemaakt van andere edele metalen, wordt ondersteund door de National Science Foundation.

"Dit is een fundamentele studie van hoe katalytische nanokristallen groeien uit kleine zaadjes, en veel mensen die op dit gebied werken, kunnen baat hebben bij de systematische, kwantitatieve informatie die we hebben ontwikkeld, " zei Younan Xia, professor en Brock Family Chair in de Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering aan Georgia Tech en Emory University. "We verwachten dat dit werk onderzoekers zal helpen de morfologie van nanokristallen te controleren die nodig zijn voor veel verschillende toepassingen."

Een cruciale factor die bepaalt hoe nanokristallen uit kleine zaadjes groeien, is de oppervlakte-energie van de kristallijne facetten op de zaden. Onderzoekers weten dat energiebarrières de aantrekkingskracht van het oppervlak voor precursoren in oplossing dicteren, maar specifieke informatie over de energiebarrière voor elk type facet was niet direct beschikbaar.

"Typisch, het oppervlak van de zaden die worden gebruikt om deze nanokristallen te laten groeien is niet homogeen geweest, " legde Xia uit, die ook de Georgia Research Alliance Eminent Scholar in Nanomedicine is en gezamenlijke benoemingen heeft in de School of Chemistry &Biochemistry en de School of Chemical &Biomolecular Engineering. "Misschien heb je verschillende facetten op de kristallen, die afhangen van de rangschikking van de atomen eronder. Vanuit het standpunt van voorlopers in de oplossing rond de zaden, deze oppervlakken hebben verschillende activeringsenergieën die bepalen hoe moeilijk het zal zijn voor de voorlopers of atomen om op elk oppervlak te landen."

Xia's onderzoeksteam ontwierp experimenten om de energiebarrières op verschillende facetten te beoordelen, het gebruik van zaden in verschillende maten en oppervlakteconfiguraties die zijn gekozen om slechts één type facet te hebben. De onderzoekers maten zowel de groei van de nanokristallen in oplossing als de verandering in de concentratie van palladiumtetrabromide (PdBr4 2-) precursorzout.

"Door de juiste voorloper te kiezen, we kunnen ervoor zorgen dat alle reductie die we meten zich aan de oppervlakte bevindt en niet in de oplossing, " legde hij uit. "Daardoor konden we zinvolle metingen doen over de groei, die wordt bepaald door het type facet, evenals de aanwezigheid van een dubbele grens, overeenkomend met onderscheidende groeipatronen en eindresultaten."

In de loop van bijna een jaar, gastdocent onderzoeksassistent Tung-Han Yang bestudeerde de groei van nanokristallen met behulp van verschillende soorten zaden. In plaats van de groei van nanokristallen door zelfkiemvorming toe te staan, Xia's team koos ervoor om de groei van zaden te bestuderen, zodat ze de beginomstandigheden konden beheersen.

Het beheersen van de vorm van de nanokristallen is van cruciaal belang voor toepassingen in katalyse, fotonica, elektronica en medicijnen. Omdat deze edele metalen duur zijn, het minimaliseren van de hoeveelheid materiaal die nodig is voor katalytische toepassingen helpt de kosten te beheersen.

"Als je katalyse doet met deze materialen, je ervoor wilt zorgen dat de nanokristallen zo klein mogelijk zijn en dat alle atomen aan het oppervlak worden blootgesteld, "zei Xia. "Als ze niet aan de oppervlakte zijn, ze zullen niet bijdragen aan de activiteit en daarom worden verspild."

Het uiteindelijke doel van het onderzoek is een database die wetenschappers kunnen gebruiken om de groei van nanokristallen met specifieke afmetingen, vormen en katalytische activiteit. Voorbij palladium, de onderzoekers zijn van plan de resultaten van kinetische studies voor goud te publiceren, zilver, platina, rhodium en andere nanokristallen. Hoewel het patroon van energiebarrières voor elk waarschijnlijk anders zal zijn, er zullen overeenkomsten zijn in de manier waarop de energiebarrières de groei beheersen, zei Xia.

"Het is echt hoe de atomen op het oppervlak zijn gerangschikt die de oppervlakte-energie bepalen, " legde hij uit. "Afhankelijk van de betrokken metalen, de exacte aantallen zullen anders zijn, maar de verhoudingen tussen de facettypes zouden min of meer hetzelfde moeten zijn."

Xia hoopt dat het werk van zijn onderzoeksteam zal leiden tot een beter begrip van hoe het autokatalytische proces werkt bij de synthese van deze nanomaterialen, en uiteindelijk tot bredere toepassingen.

"Als je de morfologie en eigenschappen wilt controleren, deze informatie heeft u nodig om de juiste precursor en reductiemiddel te kiezen, " zei Xia. "Deze systematische studie zal leiden tot een database over deze materialen. Dit is nog maar het begin van wat we van plan zijn te doen."