Una tecnica semplificata per fabbricare nanocristalli di biossido di cerio (CeO2), che hanno applicazioni tecnologiche e industriali di ampio respiro, è stato "inaspettatamente" dimostrato da un chimico dell'UNSW.

Lo studio condotto dall'UNSW rivela che i nanocristalli si formano naturalmente quando un materiale precursore – il cerio (IV) – viene sciolto e idrolizzato in acqua. È la prima volta che si osserva questo processo di formazione.

Le scoperte, segnalato in Chimica:una rivista europea , potrebbe semplificare il processo produttivo esistente, che richiede il riscaldamento e l'aggiunta di sostanze chimiche per controllare meglio la forma e le dimensioni dei cristalli.

"La scoperta più importante è che il cerio (IV) ha una natura intrinseca per formare nanocristalli di dimensioni uniformi di biossido di cerio di circa due o tre nanometri in una soluzione acquosa tramite idrolisi, ", afferma l'autore principale, il dott. Atsushi Ikeda-Ohno della UNSW School of Civil and Environmental Engineering.

"I risultati di questo studio forniscono un concetto di base per semplificare e alleviare il processo di produzione e significano che dobbiamo solo regolare il pH della soluzione acquosa... senza riscaldare o aggiungere sostanze chimiche, ", afferma. "Questo potrebbe far risparmiare denaro sui costi energetici e contribuire a ridurre l'impatto ambientale dell'intero processo produttivo".

I nanocristalli di biossido di cerio sono formati dall'elemento delle terre rare Cerio. Sono usati come catalizzatori per trattare i gas pericolosi, convertendo i fumi tossici in emissioni meno nocive; come elettrodi nelle celle a combustibile; e nelle creme solari e nei cosmetici per la loro capacità di assorbire alti livelli di radiazioni UV.

Vi è un crescente interesse per la fabbricazione di questi materiali, data la loro vasta gamma di applicazioni, ma si sa relativamente poco dei meccanismi che ne governano la formazione. Questi meccanismi sono direttamente collegati alla capacità di controllarne la forma e le dimensioni, caratteristiche che regolano la funzionalità di un cristallo.

Una delle maggiori barriere allo studio di questi meccanismi di formazione è stata la mancanza di strumenti analitici per farlo in situ, dice Ikeda-Ohno.

Il suo studio era inizialmente focalizzato sull'osservazione dell'effetto dell'idrolisi sul cerio (IV) e sullo sviluppo di una strategia analitica migliorata, utilizzando una combinazione di strumenti spettroscopici, osservare e comprendere meglio il processo formativo. Ma poi accadde qualcosa di inaspettato.

"Quando ho studiato per la prima volta soluzioni apparentemente trasparenti di cerio (IV) a pH diverso utilizzando una tecnica a raggi X, mi sono reso conto che le soluzioni non erano composte da semplici specie disciolte... ma contenevano particelle colloidali molto piccole che non sono riconoscibili visivamente, " Egli ha detto.

Dopo aver applicato ulteriori tecniche spettroscopiche e microscopiche per caratterizzare queste misteriose particelle, ha determinato che erano in realtà nanocristalli di biossido di cerio.

"Come conseguenza, siamo riusciti a osservare l'intero processo di evoluzione dalle specie precursori in nanocristalli di biossido di cerio, " afferma il rapporto.

"In questo studio ho dimostrato che una combinazione di tecniche analitiche avanzate, in particolare le tecniche a raggi X basate sul sincrotrone ... forniscono uno strumento molto potente per sondare l'evoluzione dei nanocristalli metallici in situ, " dice Ikeda-Ohno.

"Una piena comprensione del processo di 'evoluzione' dalle specie precursori nei risultanti nanocristalli ci consente forse di adattare questi materiali alle esigenze pratiche".

Il prossimo passo verso la realizzazione della tecnica di fabbricazione basata sull'idrolisi è identificare la condizione critica di pH in cui iniziano a formarsi i nanocristalli. Ikeda-Ohno dice che l'approccio che ha sviluppato potrebbe essere usato a tal fine, e potrebbe essere applicato anche ad altri nanocristalli metallici.