A sinistra:questa è la struttura del metatungstato di ammonio disciolto in acqua su scala di lunghezza atomica. Gli ottaedri costituiti dallo ione di tungsteno al centro e dai sei ioni di ossigeno circostanti condividono in parte angoli e bordi. A destra:questa è la struttura delle nanoparticelle nella fase cristallina ordinata. Gli ottaedri condividono esclusivamente gli angoli. Credito:Dipankar Saha/Århus University
Con la sorgente di luce a raggi X PETRA III di DESY, Scienziati danesi hanno osservato dal vivo la crescita delle nanoparticelle. Lo studio mostra come le nanoparticelle di ossido di tungsteno si stanno formando dalla soluzione. Queste particelle vengono utilizzate ad esempio per finestre intelligenti, che diventano opachi al tocco di un interruttore, e sono utilizzati anche in particolari celle solari. Il team dell'autore principale, il dott. Dipankar Saha dell'Università di rhus, presenta le proprie osservazioni sulla rivista scientifica Angewandte Chemie Edizione Internazionale .
Per la loro indagine, gli scienziati hanno costruito una piccola camera di reazione, che è trasparente per i raggi X. "Utilizziamo sottili capillari di zaffiro o silice fusa che sono facilmente penetrabili dai raggi X, " ha detto il professor Bo Iversen, capo del gruppo di ricerca. In questi capillari, gli scienziati hanno trasformato il cosiddetto metatungstato di ammonio disciolto in acqua in nanoparticelle ad alta temperatura e alta pressione. Con la brillante luce a raggi X PETRA III, i chimici sono stati in grado di monitorare la crescita di piccole particelle di triossido di tungsteno (WO 3 ) con una dimensione tipica di una decina di nanometri dalla soluzione in tempo reale.
"Le misurazioni a raggi X mostrano gli elementi costitutivi del materiale, " ha detto il co-autore Dr. Ann-Christin Dippel di DESY, scienziato presso la linea di luce P02.1, dove sono stati effettuati gli esperimenti. "Con il nostro metodo, siamo in grado di osservare la struttura del materiale su scala di lunghezza atomica. La particolarità qui è la possibilità di seguire le dinamiche del processo di crescita, " Fa notare Dippel. "Le diverse strutture cristalline che si formano in queste nanoparticelle sono già note. Ma ora possiamo tracciare in tempo reale il meccanismo di trasformazione delle molecole in nanocristalli. Non vediamo solo la sequenza del processo, ma anche il motivo per cui si formano strutture specifiche".
A livello molecolare, le unità di base di molti composti metallo-ossigeno come gli ossidi sono gli ottaedri, che consistono di otto triangoli uguali. Questi ottaedri possono condividere angoli o bordi. A seconda della loro configurazione, i composti risultanti hanno caratteristiche diverse. Questo non è vero solo per il triossido di tungsteno, ma è fondamentalmente applicabile ad altri materiali.
Dati in tempo reale della funzione di distribuzione delle coppie durante la crescita di nanoparticelle di triossido di tungsteno. La funzione di distribuzione delle coppie fornisce il tasso di occorrenza delle distanze dei legami atomici in una molecola o un materiale. Nel corso della sintesi, scompare la distanza di legame a 3,3 Å che rappresenta gli ottaedri di condivisione dei bordi. Inizialmente, la molecola precursore ha una dimensione di circa 6 . Dopo la crescita delle nanoparticelle a partire da ~ 5 min, si evolvono strutture con ordine a lungo raggio sulla scala dei nanometri. Credito:Dipankar Saha/Århus University
Le unità ottaedriche nelle soluzioni crescono fino a nanoparticelle, con una piccola particella di dieci nanometri comprendente circa 25 ottaedri. "Siamo stati in grado di stabilire che in un primo momento, entrambi gli elementi della struttura esistono nel materiale originale, la connessione per angoli e per spigoli, " disse Saha. "Nel corso della reazione, gli ottaedri si riorganizzano:più aspetti, più scompare la connessione di bordo e più frequente diventa la connessione per angoli. Le nanoparticelle che si sono sviluppate nelle nostre indagini hanno una struttura cristallina prevalentemente ordinata".
Rappresentazione schematica dell'apparato sperimentale:La brillante luce a raggi X di PETRA III (in alto a sinistra) è diffusa da nanoparticelle che crescono nel capillare (a destra) ad alta temperatura e alta pressione. I modelli di diffrazione (a destra) contengono informazioni sulle strutture delle nanoparticelle e sui loro cambiamenti in tempo reale (in basso a destra). Credit:Mogens Christensen/Århus University
In the continuous industrial synthesis, this process occurs so quickly, that it mainly produces nanoparticles with mixed disordered structures. "Ordered structures are produced when nanoparticles get enough time to rearrange, " said Saha. "We can use these observations for example to make available nanoparticles with special features. This method is also applicable to other nanoparticles."
