Vloeibaar metaal, planeetachtige nanodruppeltjes zijn met succes gevormd met een nieuwe techniek ontwikkeld aan de RMIT University, Australië. Net als onze eigen planeet Aarde hebben de nanodruppeltjes een buitenste ‘korst’, een vloeibare metalen ‘mantel’ en een stevige ‘kern’.

De vaste intermetallische kern is de sleutel tot het bereiken van een homogener mengsel, waarbij dezelfde hoeveelheid opgeloste stof (d.w.z. de 'doel'-metalen) in elke gelegeerde druppel wordt 'opgesloten'.

Het onderzoeksteam bereikte homogeniteit via volledige oplossing in de vloeibaar-metaalmedia, mogelijk gemaakt door gesmolten zout op hoge temperatuur. Hun artikel, "Synthese van planeetachtige vloeibare metaalnanodruppeltjes met veelbelovende eigenschappen voor katalyse", werd gepubliceerd in Advanced Functional Materials in juli 2023.

De ontdekking creëert nieuwe onderzoeksmogelijkheden in de fundamentele chemie van vloeibare metalen, maar ook in uiteenlopende toepassingen zoals flexibele elektronica, faseveranderingsmaterialen, katalysatoren en brandstofcellen, en op zilver gebaseerde antimicrobiële stoffen.

Vloeibare metalen nanodruppeltjes schudden uit elkaar

Vloeibare metalen zijn de afgelopen jaren uitgegroeid tot een veelbelovende nieuwe grens voor chemisch onderzoek en fungeren als een nieuw reactie-interface voor oplosmiddelen en katalysatoren.

Ze kunnen ook fungeren als functioneel materiaal dat een hoge geleidbaarheid biedt, dankzij gedelokaliseerde metaalbindingen en een zachte, vloeibare binnenkant.

Met de opkomende katalyse-, detectie- en nano-elektronische toepassingen die afhankelijk zijn van het bereiken van grote oppervlakken, is de synthese van vloeibare metaalnanodruppeltjes een belangrijk aandachtspunt geworden.

Er zijn veel combinaties mogelijk bij het legeren voor specifieke toepassingen, bijvoorbeeld het oplossen van koper (de opgeloste stof) in vloeibaar gallium (het metallische oplosmiddel).

De nanodruppeltjes van vloeibaar metaal worden gecreëerd door mechanisch roeren met behulp van geluidsgolven in een oplosmiddel zoals ethanol of water.

Tijdens dit 'sonicatieproces' hebben vloeibare metaallegeringen echter de neiging om te 'de-legeringen', d.w.z. uiteen te vallen in hun samenstellende metalen.

Dit is het resultaat van eerdere methoden waarbij werd geprobeerd de metalen bij relatief lage temperaturen, dichtbij kamertemperatuur, op te lossen. "Net zoals het mogelijk is om meer suiker op te lossen in warm water dan in koud water, kan er meer koper worden opgelost in warmer gallium", zegt hoofdauteur Caiden Parker, een Ph.D. kandidaat bij RMIT.

Bij lage temperaturen wordt een deel van het opgeloste metaal opnieuw gevormd tot grotere, vaste deeltjes voordat het volledig is opgelost.

De resulterende samenstelling heeft inconsistente, inhomogene eigenschappen, waarbij de samenstelling van individuele nanodruppeltjes aanzienlijk varieert. "In extreme gevallen kunnen veel of zelfs de meeste nanodruppeltjes in wezen verstoken zijn van het opgeloste metaal, dat uiteindelijk geconcentreerd is in slechts zeer weinig deeltjes", zegt de overeenkomstige auteur Dr. Torben Daeneke, eveneens bij RMIT.

Deze inhomogeniteit en de aanwezigheid van intermetaalverbindingen vormen aanzienlijke problemen voor onderzoekers die de fundamentele mechanismen willen begrijpen die aan het werk zijn in de chemie van vloeibare metalen.

Hoge temperaturen en zouten vormen homogene, planeetachtige nanodruppeltjes

In de nieuwe studie hebben RMIT-onderzoekers het probleem van dealloying opgelost door het syntheseproces aanzienlijk te verwarmen (tot wel 400°C) om ervoor te zorgen dat het opgeloste metaal volledig is opgelost en door een zorgvuldig geselecteerde suspensievloeistof van gesmolten zout te introduceren.

Er is gekozen voor natriumacetaat omdat het stabiel blijft bij hoge temperaturen en daarna gemakkelijk kan worden verwijderd.

De resulterende nanodruppeltjes hebben een interessante planeetachtige structuur, bestaande uit een buitenste (oxide) schil, een vloeibare (metaal) mantel en een zwevende, vaste centrale kern (intermetaal).

"We werden meteen getroffen door de gelijkenis van de nanodruppels met een aarde-achtige planeet, met een stevige buitenschil, een vloeibare metalen mantel en een massieve metalen kern", zegt Caiden.

Die vaste kern is de sleutel tot het succes van de nieuwe techniek, waarbij in elke gelegeerde druppel dezelfde hoeveelheid opgeloste stof wordt 'opgesloten'.

"We waren ook heel blij om te zien dat onze nieuwe metalen planeetachtige nanodruppeltjes overal aanwezig waren", vervolgt Caiden.

Het systeem was homogeen verspreid, waarbij de outputopbrengst aanzienlijk verbeterde. Transmissie-elektronenmicroscoopanalyse (TEM) bevestigde dat de kernstructuur in bijna elke druppel wordt waargenomen.

De aanwezigheid van de vaste kern bevordert ook een zeer interessant gebruik van de planeetachtige nanodruppeltjes in katalytische reacties, waardoor chemische reacties worden versneld.

De onderzochte koper-gallium nanodruppeltjes leverden veelbelovende resultaten op bij de elektrokatalytische oxidatie van ethanol, die zouden kunnen worden toegepast in ethanolbrandstofcellen.

Het verwijderen van het natriumacetaat is belangrijk voorafgaand aan deze katalytische reactie, waarbij het zout gemakkelijk kan worden verwijderd in eenvoudige waterbaden.

Wat is het volgende?

De veelbelovende nieuwe techniek opent het potentiële gebruik van nanodruppeltjes met een groot oppervlak in een breed scala aan toekomstige toepassingen, waaronder, maar niet beperkt tot, elektronica of katalytische materialen.

De fysieke schaal van de nanodruppeltjes (d.w.z. nano in plaats van micro) zal ook fundamentele studies van de chemie van vloeibare metalen ondersteunen, inclusief het onderzoeken van de precieze aard van de bindingsvorming in vloeibare metalen, het solvatatievermogen, de kristallisatiedynamiek en de algemene colloïdale chemie die daarbij kan optreden. komen voor in verschillende gesmolten metaalsystemen.

‘De planeetachtige structuren lijken op kleine miniatuurlaboratoria, waardoor we kunnen bestuderen hoe gesmolten metalen zich op atomair niveau gedragen’, zegt Torben.

Hoewel de studie de levensvatbaarheid van de nieuwe techniek met behulp van een koper-galliumsysteem aantoonde, verwachten de auteurs dat verder onderzoek zal bevestigen dat de techniek succesvol zal zijn bij gebruik van andere combinaties van opgeloste en oplosmiddellegeringssystemen, te beginnen met zilver, zink of bismut in vloeibaar gallium. , tin of indium.

"Een belangrijk voordeel van vloeibaar-metaalsystemen is de mogelijkheid om de metaalmix voor bepaalde toepassingen aan te passen, afhankelijk van de eigenschappen van de samenstellende metalen", zegt Caiden.

"Koper is bijvoorbeeld een geweldige elektrische geleider. Wanneer we koper met gallium combineren, besparen we niet alleen aanzienlijk op de materiaalkosten, maar openen we ook de weg naar flexibele elektronica, zoals je misschien in sciencefictionfilms hebt gezien. "

Mogelijk kan koper ook worden gebruikt vanwege zijn thermische eigenschappen, met mogelijke toepassing van op koper gebaseerde nanodruppeltjes in warmtedissipatiesystemen.

Nanodruppelkatalysetoepassingen op basis van het vermogen van koper om reacties te versnellen zijn al getest in het nieuwe onderzoek, met een verbeterd actief sitegebied naast besparingen op materiaalsynthese.

Kijkend naar een ander metaal, heeft zilver eerder toepassingen gevonden op basis van zijn antimicrobiële eigenschappen, en eenmaal gecombineerd met gallium zou het een beter biologisch beschikbaar alternatief kunnen creëren.

"De potentiële toepassingen van de nieuwe technologie zijn dus extreem breed. Elke industrie die nanomaterialen nodig heeft, kan het systeem gebruiken, waarbij de samenstellende metalen variëren afhankelijk van de toepassing", zegt Torben.

Meer informatie: Caiden J. Parker et al, Synthese van planeetachtige vloeibare metaalnanodruppeltjes met veelbelovende eigenschappen voor katalyse, Geavanceerde functionele materialen (2023). DOI:10.1002/adfm.202304248

Journaalinformatie: Geavanceerde functionele materialen

Aangeboden door FLEET