I ricercatori di HZB in collaborazione con Humboldt-Universitaet zu Berlin hanno fatto un'osservazione sorprendente:stavano studiando la formazione di nanoparticelle d'oro in un solvente e hanno osservato che le nanoparticelle non si erano distribuite uniformemente, ma invece erano autoassemblati in piccoli gruppi.

Ciò è stato determinato utilizzando la diffusione di raggi X ad angolo ridotto (SAXS) presso BESSY II. Un esame approfondito con un microscopio elettronico (TEM) ha confermato il loro risultato. "La ricerca su questo fenomeno ora sta procedendo perché siamo convinti che tali nanocluster si prestino come catalizzatori, sia nelle celle a combustibile, nella scissione fotocatalitica dell'acqua, o per altre importanti reazioni nell'ingegneria chimica", spiega il dottor Armin Hoell di HZB. I risultati sono appena apparsi in due riviste accademiche internazionali peer reviewed.

"La particolarità del nuovo processo è che è estremamente semplice e funziona con un solvente ecologico ed economico", spiega il professor Klaus Rademann dell'HU di Berlino. Il solvente in realtà è costituito da due polveri che ci si aspetterebbe di trovare prima in agricoltura che in un laboratorio di ricerca:un integratore nel mangime per polli (cloruro di colina, alias vitamina B), e urea. I colleghi britannici scoprirono qualche anno fa che mescolando le due polveri si forma un liquido trasparente in grado di sciogliere ossidi metallici e metalli pesanti, chiamato solvente eutettico profondo (DES). I ricercatori di Berlino hanno quindi posizionato sopra la lamina d'oro solvente che potevano bombardare con ioni di gas nobile per staccare singoli atomi d'oro. È così che inizialmente si sono formate le nanoparticelle che si sono distribuite nel solvente.

Due risultati sorprendenti:le nanoparticelle rimangono piccole e formano cluster

Più a lungo è durato il bombardamento (sputtering) della lamina d'oro, più grandi potrebbero diventare le nanoparticelle, ragionavano gli scienziati. Però, non è stato così:le particelle hanno smesso di crescere a cinque nanometri. Anziché, un numero crescente di nanoparticelle si è formato in tempi di sputtering più lunghi. La seconda sorpresa:queste nanoparticelle non si sono distribuite uniformemente nel liquido, ma invece autoassemblati in piccoli gruppi o cluster che potrebbero essere costituiti da un massimo di dodici nanoparticelle.

Questo tipo di osservazioni non può essere facilmente fatto al microscopio, Certo, ma richiedono invece un indiretto, approccio statistico:"Usando lo scattering di raggi X a piccolo angolo a BESSY II, non solo siamo stati in grado di accertare che le nanoparticelle hanno un diametro di circa cinque nanometri, ma anche misurare quali sono le separazioni tra loro. Da queste misurazioni, abbiamo scoperto che le nanoparticelle si dispongono in cluster", spiega Hoell.

Immagine coerente da simulazioni, diffusione a piccolo angolo e microscopia elettronica

"Abbiamo eseguito modelli al computer in anticipo su come le nanoparticelle potrebbero distribuirsi nella soluzione per comprendere meglio i risultati della misurazione, e quindi confrontato i risultati della simulazione con i risultati della diffusione di raggi X a piccolo angolo", spiega il dottor Vikram Singh Raghuwanshi, che lavora come postdoc presso HU Berlin e HZB. Un'immagine del microscopio elettronico a trasmissione criogenica che i colleghi di HU hanno preparato ha confermato i loro risultati. "Ma non avremmo potuto ottenere questo risultato usando solo la microscopia elettronica, poiché può visualizzare solo dettagli e sezioni dell'esemplare", Hoell ha sottolineato. "La diffusione dei raggi X a piccoli angoli è indispensabile per misurare tendenze e medie generali!"

Il solvente è fondamentale

È ovvio per i ricercatori che lo speciale solvente DES svolge un ruolo importante in questo processo di auto-organizzazione:le varie interazioni tra gli ioni del solvente e le particelle d'oro risultano in primo luogo nelle nanoparticelle che raggiungono solo poche migliaia di atomi di dimensione, e in secondo luogo che si attraggono reciprocamente in qualche modo, ma solo debolmente, in modo che sorgano i piccoli grappoli. "Sappiamo, però, vogliamo che questi tipi di piccoli ammassi di nanoparticelle siano particolarmente efficaci come catalizzatori per reazioni chimiche:è già stato dimostrato un aumento molte volte della velocità di reazione dovuto solo alla disposizione delle particelle", dice Rademann.

Ricerca sulle prestazioni catalitiche pianificata

Il Dr. Raghuwanshi terrà un discorso su questi risultati, oltre a fornire un'anteprima degli approcci di ricerca sulla catalisi ora pianificati, al convegno internazionale, IUCr2014, che si terrà dal 5 al 12 agosto 2014 a Montreal, Canada.

Nel prossimo anno, HZB sarà tra l'altro uno degli ospiti della 16a Conferenza Internazionale sulla Scattering ad angolo ridotto, SAS2015.