Wetenschappers uit Rusland en China ontdekten een groot aantal nieuwe en onverwachte nanodeeltjes en vonden een manier om hun samenstelling en eigenschappen te beheersen - de bevindingen breken nieuwe wegen in het gebruik van nanodeeltjes. De resultaten van hun onderzoek zijn gepubliceerd in Fysische chemie Chemische fysica.

Micro-objecten zoals nanodeeltjes kunnen verschillen van macro-objecten (kristallen, glazen) in termen van chemische samenstelling en eigenschappen. De twee pijlers waarop nanotechnologie rust, zijn de grote diversiteit aan eigenschappen die worden vertoond door nanodeeltjes van hetzelfde materiaal maar van verschillende groottes, en het vermogen om hun eigenschappen te controleren. Echter, zowel experimenteel als theoretisch onderzoek naar de structuur en samenstelling van nanodeeltjes levert grote problemen op.

Met behulp van het USPEX evolutionaire algoritme ontwikkeld door Artem R. Oganov, hoogleraar bij Skoltech en MIPT, wetenschappers uit China en Rusland bestudeerden een breed scala aan samenstellingen van nanodeeltjes, en vooral, onderzocht twee klassen nanodeeltjes die essentieel zijn voor katalyse:ijzer-zuurstof en cerium-zuurstof. Ze ontdekten dat de zogenaamde "magische nanodeeltjes" die verbeterde stabiliteit vertonen onverwachte chemische samenstellingen kunnen hebben, bijvoorbeeld, Fe ₆ O ₄ , Fe ₂ O ₆ , Fe ₄ O ₁₄ , Ce ₅ O ₆ , en Ce ₃ O ₁₂ . Zuurstofrijke nanodeeltjes, zoals Fe ₄ O ₁₄ , stabiel onder normale omstandigheden, kan de carcinogeniteit van oxide-nanodeeltjes verklaren. Wetenschappers hebben kwantitatief onderzocht hoe de samenstellingen variëren door de temperatuur of partiële zuurstofdruk te veranderen.

"Stabiele nanoclusters kunnen vreemde en onverwachte chemische samenstellingen hebben (bijvoorbeeld Si ₄ O ₁₈ of Ce ₃ O ₁₂ ) onder normale omstandigheden, terwijl dit voor kristallen meestal wordt aangetroffen onder extreme omstandigheden, zoals hoge drukken, " zegt Xiaohu Yu, de eerste auteur van dit werk, Universitair hoofddocent van de Shaanxi University of Technology en voormalig lid van het Oganov-lab in MIPT.

"Het feit dat nanodeeltjes vrijwel dezelfde ribbels hebben, eilanden van stabiliteit en zeeën van instabiliteit als atoomkernen kwamen als een verrassing in deze studie. Zowel de atoomkern als het nanodeeltje kunnen worden beschreven als een cluster van twee soorten deeltjes, bijvoorbeeld, ijzer en zuurstof in ons geval, of protonen en neutronen in het geval van atoomkernen. Als je een kaart tekent en de aantallen van elke soort atomen in de cluster langs de assen uitzet, je zult zien dat de meeste stabiele clusters smalle richels van stabiliteit vormen. Je zult ook eilanden van stabiliteit ontdekken die vanuit chemisch oogpunt nogal merkwaardig zijn. Het is goed denkbaar dat stabiele nanodeeltjes dienen als elementaire bouwstenen in kristalgroei - het onderwerp waar ik al sinds mijn schooljaren enthousiast over ben. Wat de eilanden van stabiliteit betreft, de grote bijdragers aan hun studie waren onze beroemde academici Flerov en Oganesyan waar ik als kind van droomde om mee samen te werken, ’ zei Oganov.