I ricercatori hanno pubblicato la prima parte di quello che si aspettano essere un database che mostra la cinetica coinvolta nella produzione di nanocristalli di metallo colloidale, che sono adatti per processi catalitici, biomedico, applicazioni fotoniche ed elettroniche – attraverso un meccanismo autocatalitico.

Nel processo basato sulla soluzione, i precursori chimici si adsorbono ai semi di nanocristalli prima di essere ridotti ad atomi che alimentano la crescita dei nanocristalli. I dati cinetici si basano su accurati studi sistematici condotti per determinare i tassi di crescita su diverse sfaccettature dei nanocristalli, strutture superficiali che controllano il modo in cui i cristalli crescono attirando singoli atomi.

In un articolo pubblicato l'11 dicembre sulla rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , un team di ricerca del Georgia Institute of Technology ha fornito un quadro quantitativo di come le condizioni della superficie controllassero la crescita dei nanocristalli di palladio. Il lavoro, che in seguito includeranno informazioni sui nanocristalli realizzati con altri metalli nobili, è sostenuto dalla National Science Foundation.

"Questo è uno studio fondamentale su come i nanocristalli catalitici crescono da piccoli semi, e molte persone che lavorano in questo campo potrebbero trarre vantaggio dal sistematico, informazioni quantitative che abbiamo sviluppato, " disse Younan Xia, professore e Brock Family Chair presso il Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering presso la Georgia Tech and Emory University. "Ci aspettiamo che questo lavoro aiuti i ricercatori a controllare la morfologia dei nanocristalli necessari per molte applicazioni diverse".

Un fattore critico che controlla il modo in cui i nanocristalli crescono da piccoli semi è l'energia superficiale delle sfaccettature cristalline sui semi. I ricercatori hanno saputo che le barriere energetiche determinano l'attrazione superficiale per i precursori in soluzione, ma non erano prontamente disponibili informazioni specifiche sulla barriera energetica per ogni tipo di sfaccettatura.

"Tipicamente, la superficie dei semi che vengono utilizzati per far crescere questi nanocristalli non è stata omogenea, "ha spiegato Xia, che è anche Georgia Research Alliance Eminent Scholar in Nanomedicine e ricopre incarichi congiunti presso la School of Chemistry &Biochemistry e la School of Chemical &Biomolecular Engineering. "Potresti avere diverse sfaccettature sui cristalli, che dipendono dalla disposizione degli atomi sottostanti. Dal punto di vista dei precursori nella soluzione intorno ai semi, queste superfici hanno diverse energie di attivazione che determinano quanto sarà difficile per i precursori o gli atomi atterrare su ciascuna superficie".

Il team di ricerca di Xia ha progettato esperimenti per valutare le barriere energetiche su vari aspetti, utilizzando semi in una varietà di dimensioni e configurazioni di superficie scelte per avere un solo tipo di sfaccettatura. I ricercatori hanno misurato sia la crescita dei nanocristalli in soluzione sia la variazione della concentrazione del sale precursore del palladio tetrabromuro (PdBr4 2-).

"Scegliendo il precursore giusto, possiamo garantire che tutta la riduzione che misuriamo è in superficie e non nella soluzione, " ha spiegato. "Ciò ci ha permesso di fare misurazioni significative sulla crescita, che è controllato dal tipo di sfaccettatura, nonché presenza di un confine gemello, corrispondenti a modelli di crescita distintivi e risultati finali."

Nel corso di quasi un anno, L'assistente di ricerca laureato in visita Tung-Han Yang ha studiato la crescita dei nanocristalli utilizzando diversi tipi di semi. Invece di consentire la crescita dei nanocristalli dall'autonucleazione, Il team di Xia ha scelto di studiare la crescita dai semi in modo da poter controllare le condizioni iniziali.

Il controllo della forma dei nanocristalli è fondamentale per le applicazioni in catalisi, fotonica, elettronica e medicina. Poiché questi metalli nobili sono costosi, ridurre al minimo la quantità di materiale necessaria per le applicazioni catalitiche aiuta a controllare i costi.

"Quando fai la catalisi con questi materiali, vuoi assicurarti che i nanocristalli siano il più piccoli possibile e che tutti gli atomi siano esposti alla superficie, " disse Xia. "Se non sono in superficie, non contribuiranno all'attività e quindi andranno sprecati".

L'obiettivo finale della ricerca è un database che gli scienziati possono utilizzare per guidare la crescita di nanocristalli con dimensioni specifiche, forme e attività catalitica. Oltre il palladio, i ricercatori hanno in programma di pubblicare i risultati degli studi cinetici per l'oro, d'argento, platino, rodio e altri nanocristalli. Mentre il modello delle barriere energetiche sarà probabilmente diverso per ciascuno, ci saranno somiglianze nel modo in cui le barriere energetiche controllano la crescita, ha detto Xia.

"È davvero il modo in cui gli atomi sono disposti sulla superficie che determina l'energia superficiale, " ha spiegato. "A seconda dei metalli coinvolti, i numeri esatti saranno diversi, ma i rapporti tra i tipi di sfaccettatura dovrebbero essere più o meno gli stessi."

Xia spera che il lavoro del suo gruppo di ricerca porti a una migliore comprensione di come funziona il processo autocatalitico nella sintesi di questi nanomateriali, e, infine, ad applicazioni più ampie.

"Se vuoi controllare la morfologia e le proprietà, hai bisogno di queste informazioni in modo da poter scegliere il precursore e l'agente riducente giusti, " ha detto Xia. "Questo studio sistematico porterà a un database su questi materiali. Questo è solo l'inizio di ciò che intendiamo fare".