Comprendere e controllare come funziona il processo di diffusione su scala atomica è una questione importante nella sintesi dei materiali. Per le nanoparticelle, la stabilità, dimensione, struttura, composizione, e l'ordinamento atomico dipendono tutti dalla posizione all'interno della particella, e la diffusione influisce su tutte queste proprietà ed è influenzata da esse. Una comprensione più approfondita dei meccanismi e degli effetti della diffusione nei nanocristalli aiuterà a sviluppare metodi di sintesi controllata per ottenere le particolari proprietà; però, i metodi convenzionali per studiare la diffusione nei solidi hanno tutti dei limiti.

Data la necessità di tecniche di imaging che siano sensibili alle dinamiche più lente e consentano di studiare il comportamento di diffusione nei singoli nanocristalli su scala atomica e in tre dimensioni (3-D), un team di ricercatori ha utilizzato la sensibilità alla deformazione dell'imaging a diffrazione coerente di Bragg (BCDI) per studiare la diffusione del ferro nei singoli nanocristalli d'oro in situ a temperature elevate. Il loro lavoro è stato recentemente pubblicato su Nuovo Giornale di Fisica .

Misurazione della diffusione nei solidi

Metodi diretti per lo studio della diffusione nei solidi (come il profilo meccanico e sputtering, spettrometria di massa di ioni secondari, e analisi con microsonda elettronica) forniscono solo una quantità macroscopica, il coefficiente di diffusione. I metodi indiretti (come la spettroscopia di neutroni quasielastici e la spettroscopia di Mössbauer) possono fornire informazioni microscopiche sul processo di diffusione, ma sono limitati a un numero ristretto di isotopi e valori di diffusività relativamente veloci. I metodi esistenti per gli studi di diffusione nei solidi tendono anche a mediare i segnali su un certo numero di strutture, ma nei nanocristalli l'eterogeneità del campione è significativa e può influenzare i risultati. La microscopia elettronica a trasmissione (TEM) consente di studiare la diffusione in singole nanoparticelle, ma è limitato a campioni sottili ( <100 nm) e la necessaria preparazione del campione può essere distruttiva.

La capacità del BCDI di visualizzare la deformazione in 3-D in singoli nanocristalli è estremamente utile e altamente innovativa. Questa tecnica di sviluppo utilizza raggi X coerenti, che consente di mappare in 3-D la deformazione all'interno dei singoli nanocristalli. I ricercatori misurano il modello di diffrazione del cristallo, e quindi utilizzare algoritmi di recupero di fase iterativi per ricostruire la struttura 3-D del cristallo nello spazio reale. La densità elettronica ricostruita è costituita da grandezza (di solito indicata come ampiezza) e fase, che corrispondono alla morfologia e al ceppo del cristallo. La sensibilità alla deformazione del BCDI può essere utilizzata per studiare la diffusione degli atomi in un nanocristallo, poiché si prevede che la diffusione induca distorsioni reticolari misurabili.

BCDI di nanoparticelle di ferro-oro

In questo studio, un team di ricercatori dell'University College di Londra, Londra, Brookhaven National Laboratory negli Stati Uniti, Diamond e il complesso di ricerca di Harwell hanno utilizzato BCDI sulla linea di luce I07 per studiare il comportamento di diffusione 3-D in una lega oro-ferro. Le nanoparticelle d'oro hanno interessanti proprietà ottiche, e la loro superficie può essere sintonizzata per funzioni specifiche. La loro biocompatibilità li rende una scelta ovvia per le applicazioni mediche. Il ferro può essere utilizzato per introdurre interessanti proprietà magnetiche nelle nanoparticelle, però, è soggetto a ossidazione e ha un'elevata tossicità cellulare in un contesto medico.

Le nanoparticelle oro-ferro offrono un materiale con proprietà sia magnetiche che ottiche, biocompatibile e protetto dall'ossidazione. Hanno potenziali applicazioni mediche nella risonanza magnetica, ipertermia, e somministrazione mirata di farmaci.

Il team ha misurato il modello di diffrazione dei singoli nanocristalli d'oro in funzione della temperatura e del tempo, prima e dopo la deposizione del ferro. Hanno usato algoritmi di recupero di fase per ottenere ricostruzioni nello spazio reale dei nanocristalli, osservando la legatura del ferro con l'oro a temperature del campione di 300-500°C e dealligazione del ferro dall'oro a 600°C. Hanno scoperto che il volume della regione legata nei nanocristalli aumentava con il dosaggio di ferro. I loro risultati hanno suggerito che i campioni hanno raggiunto l'equilibrio in tempi relativamente brevi dopo la deposizione di ferro, e la distribuzione di fase risultante all'interno dei nanocristalli d'oro dopo le deposizioni di ferro suggerisce una contrazione dovuta alla diffusione del ferro.

Questo studio dimostra l'utilità del BCDI per lo studio della diffusione 3-D e del comportamento di lega nei singoli nanocristalli su scala atomica. Ha studiato con successo i cambiamenti nella struttura dei singoli nanocristalli d'oro come risultato della diffusione e della lega con il ferro, a diverse temperature e dosi di metallo, con risoluzione della deformazione del picometro.

L'autrice principale Ana Estandarte aggiunge:"BCDI è una tecnica che può essere applicata a un'ampia gamma di materiali e la sua capacità di esaminare in modo non distruttivo la deformazione 3-D nei materiali su scala atomica durante i processi dinamici è potente. Avendo studiato con successo il cambiamenti nei nanocristalli durante la diffusione in questo studio, stiamo cercando di applicare la tecnica in futuro per studiare i processi nei materiali delle batterie".