Onderzoekers van ETH zijn erin geslaagd om nanokristallen te produceren die zijn gemaakt van twee verschillende metalen met behulp van een samensmeltingsproces waarbij een vloeibaar metaal een vast metaal binnendringt. Deze nieuwe en verrassend intuïtieve techniek maakt het mogelijk om een ​​breed scala aan intermetallische nanokristallen te produceren met op maat gemaakte eigenschappen voor diverse toepassingen.

Nanokristallen zijn bolletjes ter grootte van een nanometer die bestaan ​​uit regelmatig gerangschikte atomen. Door hun gunstige eigenschappen, ze zijn in opkomst in verschillende technologieën. Halfgeleider nanokristallen, bijvoorbeeld, worden gebruikt in nieuwe generatie televisieschermen. Recenter, zogenaamde intermetallische nanokristallen, waarin twee verschillende metalen samen een kristalrooster vormen, hebben naam gemaakt omdat ze verbeterde en unieke toepassingen beloven. Die toepassingen variëren van katalyse tot dataopslag en medicijnen.

In theorie, er zijn tienduizenden mogelijke combinaties van metalen waaruit dergelijke nanokristallen kunnen bestaan, met een overeenkomstig groot aantal verschillende materiaaleigenschappen. Tot dusver, echter, het is alleen mogelijk geweest om nanokristallen te maken van een paar van dergelijke paren. Een team van onderzoekers van ETH Zürich onder leiding van Maksym Yarema en Vanessa Wood van het Institute for Electronics heeft nu een nieuwe techniek ontwikkeld die, in principe, maakt het mogelijk om bijna alle mogelijke combinaties van intermetallische nanokristallen te realiseren. Hun resultaten zijn onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

Verrassend intuïtieve methode

"Onze methode is eenvoudig en intuïtief - zo intuïtief, in feite, dat we verrast waren dat niemand dit idee voor ons had gehad, ", zegt Yarema. In conventionele procedures voor het produceren van nanokristallen gemaakt van een enkel metaal, de metaalatomen worden in moleculaire vorm geïntroduceerd, bijvoorbeeld als zouten, tot een oplossing waarin zich vervolgens de nanokristallen vormen. "In theorie kan dat ook met twee verschillende metalen, maar in de praktijk is het moeilijk, of zelfs onmogelijk, om duidelijk verschillende metalen in de reactor te combineren, " legt Yarema uit. Daarom namen de ETH-wetenschappers hun toevlucht tot een procedure die al eeuwen wordt gebruikt:samensmelting, een bepaald soort fusie of vermenging van metalen.

Vloeibare metalen

Amalgamen zijn vooral bekend uit de tandheelkunde, waar ze worden gebruikt als vulmateriaal, en ook uit de goudwinning. In beide gevallen, vloeibaar kwik wordt toegevoegd om andere metalen op te lossen (voor tandvullingen, een mengsel van koper, zink en zilver). Echter, samensmelting werkt ook met elk ander vloeibaar metaal. Naast kwik, die zelfs bij kamertemperatuur vloeibaar is, er zijn een aantal metalen met relatief lage smeltpunten, zoals gallium (30 graden Celsius), indium (157 graden) of tin (232 graden).

Samensmeltingsaanpak voor nanokristallen

Yarema en zijn collega's gebruiken de samensmeltingsaanpak op nanoschaal. De reactie begint met de dispersie van nanokristallen die een enkel metaal bevatten, bijvoorbeeld zilver. Vervolgens, de atomen van het tweede metaal - zeg, gallium - worden toegevoegd in moleculaire vorm (in dit geval als amiden, een verbinding van koolstof, waterstof, en stikstof), terwijl het mengsel wordt verwarmd tot ongeveer 300 graden.

aanvankelijk, de hoge temperatuur zorgt ervoor dat de chemische bindingen in het gallium-amide breken, waardoor vloeibaar gallium zich kan ophopen op de zilveren nanokristallen. Nutsvoorzieningen, het eigenlijke samensmeltingsproces begint, waarbij vloeibaar gallium in het vaste zilver kruipt. Na verloop van tijd wordt een nieuw kristalrooster gevormd, waarin uiteindelijk regelmatig zilver- en galliumatomen zijn gerangschikt. Dan is alles weer afgekoeld, en na tien minuten zijn de nanokristallen klaar. "We zijn verbaasd hoe efficiënt de samensmelting is op nanoschaal. Het hebben van één vloeibaar metaalcomponent is de sleutel tot snelle en uniforme legering binnen elk nanokristal, ' zegt Yarema.

Controleerbaar proces

Met dezelfde techniek, de onderzoekers hebben al verschillende intermetallische nanokristallen geproduceerd, zoals goud-gallium, koper-gallium en palladium-zink. Het fusieproces zelf is nauwkeurig te sturen. Door het aantal secundaire atomen, geïntroduceerd in de oplossing als amiden, het aandeel van de metalen in de nanokristallen kan nauwkeurig worden gecontroleerd. Neem het voorbeeld van goud-gallium (chemische symbolen Au en Ga), de onderzoekers hebben aangetoond dat op deze manier nanokristallen met zeer verschillende verhoudingen kunnen worden geproduceerd, zoals 1:2 (AuGa ₂ ), 1:1 (AuGa) of 7:2 (Au ₇ Ga ₂ ). De grootte van de uiteindelijke intermetallische nanokristallen kan ook precies worden voorspeld uit de grootte van de initiële nanokristallen en de toename in grootte als gevolg van het tweede metaal.

Op maat gemaakte nanokristallen voor toepassingen

De onderzoekers verwachten een groot potentieel voor technologische toepassingen vanwege de exacte beheersbaarheid van de samenstelling en grootte van de nanokristallen en de mogelijkheid om de metalen bijna naar believen te combineren. "Omdat de samensmeltingssynthese van nanokristallen zoveel nieuwe composities mogelijk maakt, we kunnen niet wachten om ze aan het werk te zien in verbeterde katalyse, plasmonische of lithium-ionbatterijen, " zegt Yarema. Katalysatoren gemaakt van nanokristallen, bijvoorbeeld, kunnen precies worden aangepast en geoptimaliseerd voor een bepaald chemisch proces dat ze zouden moeten versnellen.