Fin dagli albori dell'età del bronzo, le persone hanno apprezzato i vantaggi dell'utilizzo di leghe piuttosto che di singoli metalli per realizzare materiali migliori. Recentemente, gli scienziati hanno scoperto una ricetta per realizzare minuscole strutture a due metalli che potrebbero espandere in modo simile l'avanguardia della scienza dei materiali.

Le nanoparticelle bimetalliche - minuscoli granelli di dimensioni da poche decine a centinaia di atomi - sono estremamente promettenti come catalizzatori per una serie di applicazioni diverse, secondo Jeffrey Elam, un chimico presso l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. Però, fino ad ora mancava ai ricercatori un metodo generale preciso e flessibile per crearli.

Secondo Elam, i metodi tradizionali mancano della precisione per produrre un lotto di nanoparticelle puramente bimetalliche. Anziché, producono una miscela di nanoparticelle sia bimetalliche che monometalliche, e queste diverse nanoparticelle hanno proprietà chimiche diverse.

Secondo Elam, ci sono due tipi principali di nanoparticelle bimetalliche che gli scienziati cercano di progettare. In una configurazione, chiamato core-shell, un metallo circonda completamente l'altro, come il rivestimento di caramelle sul centro di cioccolato di un Tootsie Pop. Nell'altra configurazione, chiamata lega, i metalli sono miscelati omogeneamente su scala atomica, in modo che gli atomi di entrambi i metalli siano presenti sulla superficie della nanoparticella.

I calcoli teorici prevedono che entrambi i tipi di nanoparticelle bimetalliche possono essere catalizzatori eccezionali in applicazioni come i biocarburanti e le celle a combustibile. Ma agli scienziati mancava una strategia generale per sintetizzare entrambi i tipi di nanoparticelle su qualsiasi superficie e per un'ampia gamma di metalli diversi.

Per superare questi limiti, Elam e i suoi colleghi di Argonne si sono rivolti alla deposizione di strati atomici (ALD), una tecnica mutuata dalla produzione di semiconduttori, in cui fogli di materiale estremamente sottili vengono sovrapposti uno sopra l'altro. Ogni volta che viene eseguito un "ciclo" ALD, si deposita un nuovo foglio di materiale dello spessore di pochi atomi. L'ALD è stato utilizzato in passato per creare una varietà di materiali con proprietà chimiche ed elettriche personalizzabili, ma fino ad ora i ricercatori non erano stati in grado di coltivare selettivamente nanoparticelle bimetalliche con un controllo sufficiente per creare catalizzatori di successo.

L'ALD è stato utilizzato in precedenza per far crescere nanoparticelle di metallo singolo su superfici, ma la svolta Argonne consente agli scienziati di coltivare il secondo metallo solo sul primo metallo, e non sulle superfici circostanti. Le chiavi implicavano un attento controllo della temperatura di crescita e una selezione oculata delle sostanze chimiche utilizzate. Utilizzando questa strategia, i ricercatori di Argonne sono stati in grado di produrre nanoparticelle sia di nucleo che di lega, controllando la composizione e la dimensione delle particelle su una varietà di superfici diverse.

"È come poter personalizzare un'auto con le caratteristiche esatte che desideri che abbia, " ha detto Elam. "Una volta che abbiamo creato questi catalizzatori di nanoparticelle personalizzati, possiamo passarli ai nostri colleghi scientifici per un test drive".

Questo studio è stato organizzato dall'Institute for Atom-efficient Chemical Transformations (IACT), un Energy Frontier Research Center finanziato dall'Office of Science del DOE. Fondata nel 2009 come programma quinquennale, IACT ha collaborato con Argonne al Brookhaven National Laboratory, Università nordoccidentale, La Purdue University e l'Università del Wisconsin a Madison per migliorare l'efficienza della conversione delle materie prime della biomassa in combustibili.