Un nuovo studio della North Carolina State University mostra che le dimensioni giocano un ruolo chiave nel determinare la struttura di alcune nanoparticelle cave. I ricercatori si sono concentrati sulle nanoparticelle di nichel, che hanno interessanti proprietà magnetiche e catalitiche che possono avere applicazioni in campi diversi come la produzione di energia e la nanoelettronica.

"I principi che stiamo scoprendo qui hanno un grande potenziale per la nanofabbricazione:la creazione di materiali con caratteristiche molto piccole, con molte applicazioni in campi che vanno dall'elettronica alla medicina, "dice il dottor Joe Tracy, un assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali presso la NC State e coautore dello studio. "Questo studio migliora la nostra comprensione delle nanoparticelle cave ed è una base per il lavoro futuro su applicazioni nella registrazione magnetica ad altissima densità e catalizzatori più efficienti, utile per la produzione chimica, trattamento dei rifiuti e produzione di energia”.

In questione è l'ossidazione delle nanoparticelle di nichel. Se inizi con un pezzo di nichel "nucleo" e lo ossidi, esponendolo all'ossigeno ad alte temperature, la struttura del materiale cambia. Se il materiale è parzialmente ossidato - esposto all'ossigeno e ad alto calore per un tempo limitato - attorno al materiale si forma un guscio solido di ossido di nichel.

Se il materiale viene esposto a calore e ossigeno per un periodo di tempo più lungo, si verifica un'ulteriore ossidazione. Il guscio esterno rimane, ma il nichel viene trasportato fuori dal nucleo, lasciando un vuoto. Se il materiale è completamente ossidato, viene creato un vuoto più grande, lasciando il guscio di ossido di nichel effettivamente vuoto. Questa conversione di nanoparticelle solide in vuote è nota come "effetto Kirkendall su nanoscala".

Ma ciò che i ricercatori della NC State hanno scoperto è che anche la dimensione del nucleo di nichel gioca un ruolo chiave nella struttura di queste particelle. Per esempio, nelle nanoparticelle di nichel più piccole - quelle con nuclei aventi diametri inferiori a 30 nanometri (nm) - si forma un singolo vuoto all'interno del guscio durante l'ossidazione. Ciò si traduce in un nucleo asimmetrico di nichel, con un singolo vuoto che cresce su un lato del nucleo. Il nucleo rimanente si restringe man mano che il processo di ossidazione continua. Questo è significativo, in parte, perché il guscio di ossido di nichel diventa progressivamente più spesso sul lato che si attesta al nucleo. Più grande è il nucleo - entro il limite di 30 nm - più spesso diventa quel lato del guscio. In altre parole, ti ritroverai con un guscio di ossido di nichel che può essere significativamente più spesso su un lato rispetto all'altro.

Però, i ricercatori hanno scoperto che le nanoparticelle di nichel più grandi fanno qualcosa di completamente diverso. I ricercatori hanno testato le nanoparticelle con nuclei di nichel di 96 nm di diametro, e ha scoperto che il processo di ossidazione in queste nanoparticelle ha creato più vuoti nel nucleo, sebbene il nucleo stesso sia rimasto completamente circondato dal guscio di ossido di nichel. Questo processo ha effettivamente portato alla creazione di bolle in tutto il nucleo. Gli "scheletri" di quelle bolle rimasero ancora, anche dopo la completa ossidazione, creando un guscio essenzialmente cavo che era ancora incrociato con alcuni resti del nucleo di nichel.

"Questo ci dice molto su come creare strutture su nanoscala usando l'effetto Kirkendall su nanoscala, " Dice Tracy. "È un elemento fondamentale per la futura ricerca nel campo".