Een reuzensprong maken op het 'kleine' gebied van nanowetenschap, een multi-institutioneel team van onderzoekers is de eerste die deeltjes op nanoschaal heeft gemaakt die zijn samengesteld uit maximaal acht verschillende elementen waarvan algemeen bekend is dat ze niet mengbaar zijn, of niet kunnen worden gemengd of vermengd. De vermenging van meerdere, onmengbare elementen tot een verenigd, homogene nanostructuur, een nanodeeltje met een hoge entropielegering genoemd, breidt het landschap van nanomaterialen enorm uit - en wat we ermee kunnen doen.

Dit onderzoek maakt een aanzienlijke vooruitgang ten opzichte van eerdere inspanningen die doorgaans nanodeeltjes hebben geproduceerd die beperkt zijn tot slechts drie verschillende elementen en tot structuren die niet gelijkmatig mengen. Eigenlijk, het is buitengewoon moeilijk om verschillende elementen op nanoschaal te persen en te mengen tot individuele deeltjes. Het team, waaronder hoofdonderzoekers van de Universiteit van Maryland, College Park (UMD)'s A. James Clark School of Engineering, publiceerde een peer-reviewed artikel op basis van het onderzoek dat op de omslag van 30 maart stond Wetenschap .

"Stel je de elementen voor die samen nanodeeltjes vormen als Lego-bouwstenen. Als je maar één tot drie kleuren en maten hebt, dan ben je beperkt door welke combinaties je kunt gebruiken en welke constructies je kunt samenstellen, " legt Liangbing Hu uit, universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering aan de UMD en een van de corresponderende auteurs van het artikel. "Wat ons team heeft gedaan, is in wezen de speelgoedkist vergroot in de synthese van nanodeeltjes; nu, we zijn in staat om nanomaterialen te bouwen met bijna alle metalen en halfgeleiderelementen."

De onderzoekers zeggen dat deze vooruitgang in de nanowetenschap enorme kansen biedt voor een breed scala aan toepassingen, waaronder katalyse (de versnelling van een chemische reactie door een katalysator), energieopslag (batterijen of supercondensatoren), en bio/plasmonische beeldvorming, onder andere.

Om de nanodeeltjes met een hoge entropielegering te creëren, de onderzoekers gebruikten een tweestapsmethode van flitsverwarming gevolgd door flitskoeling. Metalen elementen zoals platina, nikkel, ijzer, kobalt, goud, koper, en anderen werden blootgesteld aan een snelle thermische schok van ongeveer 3, 000 graden Fahrenheit, of ongeveer de helft van de temperatuur van de zon, gedurende 0,055 seconden. De extreem hoge temperatuur resulteerde in uniforme mengsels van de meerdere elementen. De daaropvolgende snelle afkoeling (meer dan 100, 000 graden Fahrenheit per seconde) stabiliseerden de nieuw gemengde elementen in het uniforme nanomateriaal.

"Onze methode is eenvoudig, maar een die niemand anders heeft toegepast bij het maken van nanodeeltjes. Door gebruik te maken van een natuurwetenschappelijke benadering, in plaats van een traditionele chemische benadering, we hebben iets ongekends bereikt, " zegt Yonggang Yao, een doctoraat student aan UMD en een van de hoofdauteurs van het artikel.

Om een ​​mogelijk gebruik van de nanodeeltjes aan te tonen, het onderzoeksteam gebruikte ze als geavanceerde katalysatoren voor ammoniakoxidatie, wat een belangrijke stap is bij de productie van salpeterzuur (een vloeibaar zuur dat wordt gebruikt bij de productie van ammoniumnitraat voor meststoffen, plastic maken, en bij de productie van kleurstoffen). Ze waren in staat om 100 procent oxidatie van ammoniak en 99 procent selectiviteit naar gewenste producten te bereiken met de nanodeeltjes met een hoge entropie, bewijzen hun vermogen als zeer efficiënte katalysatoren.

Yao zegt dat een ander potentieel gebruik van de nanodeeltjes als katalysator het genereren van chemicaliën of brandstoffen uit kooldioxide zou kunnen zijn.

"De potentiële toepassingen voor nanodeeltjes met een hoge entropie zijn niet beperkt tot het gebied van katalyse. Met interdisciplinaire nieuwsgierigheid, de gedemonstreerde toepassingen van deze deeltjes zullen nog wijder worden, " zegt Steven D. Lacey, een doctoraat student aan UMD en ook een van de hoofdauteurs van het artikel.

Dit onderzoek werd uitgevoerd door een multi-institutionele samenwerking van de groep van Prof. Liangbing Hu aan de Universiteit van Maryland, Collegepark; de groep van prof. Reza Shahbazian-Yassar aan de Universiteit van Illinois in Chicago; Prof. Ju Li's groep aan het Massachusetts Institute of Technology; de groep van prof. Chao Wang aan de Johns Hopkins University; en de groep van Prof. Michael Zachariah aan de Universiteit van Maryland, Collegepark.

"Dit is best verbazingwekkend; Dr. Hu bedacht creatief deze krachtige techniek, carbo-thermische schoksynthese, om legeringen met hoge entropie van maximaal acht verschillende elementen in een enkel nanodeeltje te produceren. Dit is inderdaad ondenkbaar voor de synthese van bulkmaterialen. Dit is weer een mooi voorbeeld van nanowetenschap!, " zegt Peidong Yang, de SK en Angela Chan Distinguished Professor of Energy en professor in de chemie aan de Universiteit van Californië, Berkeley en lid van de American Academy of Arts and Sciences.

"Deze ontdekking opent veel nieuwe richtingen. Er zijn simulatiemogelijkheden om de elektronische structuur van de verschillende samenstellingen en fasen te begrijpen die belangrijk zijn voor de volgende generatie van katalysatorontwerp. correlaties vinden tussen syntheseroutes, samenstelling, en fasestructuur en prestaties maken een paradigmaverschuiving naar geleide synthese mogelijk, " zegt George Crabtree, Argonne Distinguished Fellow en directeur van het Joint Centre for Energy Storage Research bij Argonne National Laboratory.