Scienziati della National University of Singapore osservano la formazione in tempo reale di strutture cave nella reazione di sostituzione galvanica (GR) tra argento e oro con risoluzione nanometrica, acquisire conoscenze sui meccanismi alla base delle trasformazioni strutturali.

Le nanoparticelle bimetalliche cave hanno un elevato rapporto tra superficie e volume e sono buoni candidati per lo sviluppo di materiali catalitici perché consentono più interazioni tra i reagenti e la superficie del catalizzatore. La reazione GR è un approccio ampiamente utilizzato per la formazione di tali nanoparticelle. Durante la reazione, i cambiamenti strutturali sono guidati da una differenza di potenziale elettrochimico tra due diversi metalli in una soluzione, che porta alla corrosione preferenziale di un metallo rispetto all'altro. Però, è ancora una sfida produrre nanoparticelle bimetalliche cave con dimensioni e forma uniformi mediante sintesi chimica perché i ruoli precisi dei processi di crescita rimangono poco chiari.

Un team guidato dal Prof Utkur MIRSAIDOV sia del Dipartimento di Fisica che del Dipartimento di Scienze Biologiche, NUS ha acquisito una comprensione meccanicistica dei cambiamenti strutturali durante la formazione di nanocubi d'argento cavi mentre reagiscono con ioni d'oro in una soluzione. Ciò è stato ottenuto utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione di cellule liquide (LC-TEM), che è una nuova tecnica nella microscopia elettronica a trasmissione che consente agli scienziati di esaminare i processi nei liquidi con una risoluzione nanometrica. Hanno osservato in tempo reale che i nanocubi d'argento diventano cavi attraverso la formazione, crescita, e coalescenza dei vuoti interni. Durante la reazione di sostituzione, l'oro metallico si deposita sulla superficie del nanocubo d'argento con la simultanea dissoluzione dell'argento in soluzione. Il presupposto comune è che, il nucleo d'argento si scava gradualmente attraverso un foro nel guscio d'oro. Però, il team ha scoperto che durante la reazione, vuoti si formano all'interfaccia tra i metalli d'argento e d'oro, spesso vicino agli angoli dei nanocubi e poi, lo svuotamento procede verso l'interno.

Queste osservazioni LC-TEM implicano che un altro processo, l'effetto Kirkendall (KE), contribuisce anche allo svuotamento delle nanoparticelle. KE si verifica alle interfacce bimetalliche perché i due metalli si diffondono l'uno nell'altro a velocità diverse. Risulta nella formazione di vuoti sul lato del metallo a diffusione più rapida, che è coerente con l'osservazione LC-TEM. Il team ha ulteriormente caratterizzato i cambiamenti nelle trasformazioni strutturali delle nanoparticelle in funzione della quantità di ioni d'oro presenti nella soluzione e della temperatura dell'ambiente circostante, che puntano tutti verso un accoppiamento tra KE e GR durante il processo di svuotamento. I vuoti crescono più velocemente con l'aumentare della temperatura, indica una diffusione atomica più rapida ed è coerente con il comportamento previsto per KE.

Spiegando il significato dei risultati, Il professor Mirsaidov ha detto, "Siamo molto entusiasti di questi risultati. Il nostro team è il primo ad osservare direttamente in tempo reale il KE come transitorio, stadio intermedio nella reazione di svuotamento tra argento e oro. Questo approccio può essere potenzialmente esteso allo studio di altre reazioni in fase liquida a temperature elevate, che ci avvicina alle condizioni di reazione reali."