Come fiocchi di neve, le nanoparticelle sono disponibili in un'ampia varietà di forme e dimensioni. La geometria di una nanoparticella è spesso influente quanto la sua composizione chimica nel determinare come si comporta, dalle sue proprietà catalitiche al suo potenziale come componente semiconduttore.

Grazie a un nuovo studio dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), i ricercatori sono più vicini alla comprensione del processo mediante il quale si formano le nanoparticelle costituite da più di un materiale, chiamate nanoparticelle eterostrutturate. Questo processo, noto come nucleazione eterogenea, è lo stesso meccanismo con cui si formano le gocce di condensa sul vetro di una finestra.

Le nanoparticelle eterostrutturate possono essere utilizzate come catalizzatori e in sistemi avanzati di conversione e stoccaggio dell'energia. Tipicamente, queste nanoparticelle sono create da minuscoli "semi" di un materiale, sopra il quale viene coltivato un altro materiale. In questo studio, i ricercatori di Argonne hanno notato che le differenze nelle disposizioni atomiche dei due materiali hanno un grande impatto sulla forma della nanoparticella risultante.

"Prima di iniziare questo esperimento, non era del tutto chiaro cosa succede all'interfaccia quando un materiale cresce su un altro, " ha affermato la nanoscienziata Elena Shevchenko dell'Argonne Center for Nanoscale Materials, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE.

In questo studio, i ricercatori hanno osservato la formazione di una nanoparticella costituita da platino e oro. I ricercatori hanno iniziato con un seme di platino e hanno coltivato dell'oro intorno ad esso. Inizialmente, l'oro ricopriva uniformemente la superficie del seme di platino, creando un tipo di nanoparticella nota come "core-shell". Però, come più oro è stato depositato, ha iniziato a crescere in modo non uniforme, creando una struttura simile a un manubrio.

Grazie all'analisi a raggi X all'avanguardia fornita da Argonne's Advanced Photon Source (APS), una struttura utente DOE Office of Science, i ricercatori hanno identificato la causa della formazione del manubrio come "disallineamento del reticolo, " in cui la spaziatura tra gli atomi nei due materiali non si allinea.

"Essenzialmente, puoi pensare alla mancata corrispondenza del reticolo come a una fila di riquadri più piccoli sul livello inferiore e riquadri più grandi sul livello superiore. Quando provi a inserire le scatole più grandi nello spazio per una scatola più piccola, crea una tensione immensa, ", ha detto il fisico di Argonne Byeongdu Lee.

Mentre il disadattamento del reticolo è solo frazioni di nanometro, l'effetto si accumula come strato dopo strato di forme d'oro sul platino. La discrepanza può essere gestita dai primi due strati di atomi d'oro – creando l'effetto core-shell – ma in seguito si rivela troppo da superare. "La disposizione degli atomi è la stessa nei due materiali, ma la distanza tra gli atomi è diversa, ", ha detto il ricercatore postdottorato di Argonne Soon Gu Kwon. "Alla fine, questo diventa instabile, e la crescita dell'oro viene distribuita in modo non uniforme."

Mentre l'oro continua ad accumularsi su un lato della nanoparticella del seme, piccole quantità "scivolano" lungo il lato della nanoparticella come granelli di sabbia che rotolano lungo il lato di una collina di sabbia, creando la forma del manubrio.

Il vantaggio dello studio Argonne deriva dalla capacità dei ricercatori di eseguire osservazioni in situ del materiale in condizioni realistiche utilizzando l'APS. "Questa è la prima volta che qualcuno è stato in grado di studiare la cinetica di questo processo di nucleazione eterogeneo di nanoparticelle in tempo reale in condizioni realistiche, " ha detto il fisico di Argonne Byeongdu Lee. "La combinazione di due tecniche a raggi X ci ha dato la capacità di osservare il materiale sia a livello atomico che su scala nanometrica, che ci ha dato una buona visione di come le nanoparticelle si formano e si trasformano." Tutte le conclusioni tratte sulla base degli studi a raggi X sono state ulteriormente confermate utilizzando la microscopia a risoluzione atomica nel gruppo del professor Robert Klie dell'Università dell'Illinois a Chicago.

Questa analisi della formazione di nanoparticelle aiuterà a gettare le basi per la formazione di nuovi materiali con proprietà diverse e controllabili, secondo Shevchenko. "Per progettare i materiali, devi capire come avvengono questi processi a un livello molto elementare, " lei disse.

La ricerca è stata finanziata in parte dalla National Science Foundation e dall'Università dell'Illinois presso il Chicago Research Resources Center.

Un articolo basato sulla ricerca, "Nucleazione eterogenea e trasformazione della forma di nanostrutture metalliche multicomponenti, " apparso nel numero online del 2 novembre di Materiali della natura .