Il controllo delle forme delle particelle catalitiche ed elettrocatalitiche di dimensioni nanometriche realizzate con metalli nobili come platino e palladio può essere più complicato di quanto si pensasse in precedenza.

Utilizzando esperimenti sistematici, i ricercatori hanno studiato come la diffusione superficiale, un processo in cui gli atomi si spostano da un sito all'altro su superfici su nanoscala, influisce sulla forma finale delle particelle. Il problema è importante per un'ampia gamma di applicazioni che utilizzano forme specifiche per ottimizzare l'attività e la selettività delle nanoparticelle, compresi i convertitori catalitici, tecnologia delle celle a combustibile, catalisi chimica e plasmonica.

I risultati della ricerca potrebbero portare a una migliore comprensione di come gestire il processo di diffusione controllando la temperatura di reazione e la velocità di deposizione, oppure introducendo barriere strutturali atte ad ostacolare il movimento superficiale degli atomi.

"Vogliamo essere in grado di progettare la sintesi per produrre nanoparticelle con la forma esatta che vogliamo per ogni specifica applicazione, " disse Younan Xia, un professore nel dipartimento di ingegneria biomedica di Wallace H. Coulter presso la Georgia Tech e la Emory University. "Fondamentalmente, è importante capire come si formano queste forme, per visualizzare come questo accade su strutture su una scala di lunghezza di circa 100 atomi".

La ricerca è stata riportata l'8 aprile nella prima edizione online della rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ). La ricerca è stata sponsorizzata dalla National Science Foundation (NSF).

Il controllo della forma delle nanoparticelle è importante nella catalisi e in altre applicazioni che richiedono l'uso di metalli nobili costosi come platino e palladio. Per esempio, l'ottimizzazione della forma delle nanoparticelle di platino può migliorare sostanzialmente la loro attività catalitica, ridurre la domanda di materiale prezioso, ha notato Xia, che è un eminente studioso di nanomedicina della Georgia Research Alliance (GRA). Xia ricopre anche incarichi congiunti presso la Scuola di Chimica e Biochimica e la Scuola di Ingegneria Chimica e Biomolecolare presso la Georgia Tech.

"Il controllo della forma è molto importante per mettere a punto l'attività dei catalizzatori e per ridurre al minimo il carico dei catalizzatori, " ha detto. "Il controllo della forma è molto importante anche nelle applicazioni plasmoniche, dove la forma controlla dove sono posizionati i picchi di assorbimento ottico e diffusione. La forma è importante anche per determinare dove si concentreranno le cariche elettriche sulle nanoparticelle".

Sebbene l'importanza della forma delle particelle su scala nanometrica sia ben nota, i ricercatori non avevano mai compreso l'importanza della diffusione superficiale nella creazione della forma finale delle particelle. Aggiunta di atomi agli angoli dei cubi di platino, ad esempio, possono creare particelle con "braccia" sporgenti che aumentano l'attività catalitica. Anche le superfici convesse su particelle cubiche possono fornire prestazioni migliori. Ma quelle forme vantaggiose devono essere create e mantenute.

Le preferenze energetiche naturali legate alla disposizione degli atomi sulle minuscole strutture favoriscono una forma sferica non ideale per la maggior parte dei catalizzatori, celle a combustibile e altre applicazioni.

Nella loro ricerca, Xia ei suoi collaboratori hanno variato la temperatura del processo utilizzato per depositare atomi su nanocristalli metallici che hanno agito come semi per le nanoparticelle. Hanno anche variato le velocità con cui gli atomi sono stati depositati sulle superfici, che sono stati determinati dalla velocità di iniezione alla quale è stato introdotto un materiale precursore chimico. La velocità di diffusione è determinata dalla temperatura, con temperature più elevate che consentono agli atomi di muoversi più velocemente sulle superfici delle nanoparticelle. Nella ricerca, ioni bromuro sono stati usati per limitare il movimento degli atomi aggiunti da una parte all'altra della particella.

Utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione, i ricercatori hanno osservato le strutture che si sono formate in condizioni diverse. In definitiva, hanno scoperto che il rapporto tra il tasso di deposizione e il tasso di diffusione determina la forma finale. Quando il rapporto è maggiore di uno, gli atomi adsorbiti tendono a rimanere dove sono posti. Se il rapporto è inferiore a uno, tendono a muoversi.

"A meno che la reazione atomica non sia allo zero assoluto, avrai sempre un po' di diffusione, " ha detto Xia, che detiene la Brock Family Chair presso il Dipartimento di Ingegneria Biomedica. "Ma se puoi aggiungere atomi alla superficie nei luoghi che vuoi, più velocemente di quanto possano diffondere, puoi controllare la destinazione finale degli atomi."

Xia ritiene che la ricerca possa anche portare a tecniche migliorate per preservare le forme uniche delle nanoparticelle anche a temperature di esercizio elevate.

"Fondamentalmente, è molto utile per le persone sapere come si formano queste forme, " ha detto. "La maggior parte di queste strutture era stata osservata prima, ma la gente non capiva perché si formassero in determinate condizioni. Fare quello, dobbiamo essere in grado di visualizzare cosa succede su queste minuscole strutture".

Il team di ricerca di Xia ha anche studiato l'impatto della diffusione sulle particelle bimetalliche composte sia da palladio che da platino. La combinazione può esaltare alcune proprietà, e poiché il palladio è attualmente meno costoso del platino, l'utilizzo di un nucleo di palladio ricoperto da un sottile strato di platino fornisce l'attività catalitica del platino riducendo i costi.

In quel caso, la diffusione superficiale può essere utile per coprire la superficie del palladio con un singolo monostrato di platino. Solo gli atomi di platino superficiali saranno in grado di fornire le proprietà catalitiche, mentre il nucleo di palladio funge solo da supporto.

La ricerca fa parte di uno studio a lungo termine sulle nanoparticelle catalitiche condotto dal gruppo di ricerca di Xia. Altri aspetti del lavoro del team riguardano gli usi biomedici delle nanoparticelle in aree come la terapia del cancro.

"Siamo molto entusiasti di questo risultato perché è generico e può essere applicato per comprendere e controllare la diffusione sulle superfici di molti sistemi, Xia ha aggiunto. "In definitiva vogliamo vedere come possiamo sfruttare questa diffusione per migliorare le proprietà catalitiche e ottiche di queste nanoparticelle".