Facendo un passo da gigante nel "piccolo" campo della nanoscienza, un team multi-istituzionale di ricercatori è il primo a creare particelle su nanoscala composte da un massimo di otto elementi distinti generalmente noti per essere immiscibili, o incapaci di essere mescolati o mescolati insieme. La fusione di più, elementi imprescindibili in un unificato, nanostruttura omogenea, chiamata nanoparticella di lega ad alta entropia, amplia notevolmente il panorama dei nanomateriali e cosa possiamo fare con loro.

Questa ricerca fa un significativo passo avanti rispetto agli sforzi precedenti che hanno tipicamente prodotto nanoparticelle limitate a soli tre elementi diversi e a strutture che non si mescolano in modo uniforme. Essenzialmente, è estremamente difficile spremere e fondere elementi diversi in singole particelle su scala nanometrica. Il gruppo, che include ricercatori di punta dell'Università del Maryland, A. James Clark School of Engineering di College Park (UMD), ha pubblicato un articolo sottoposto a revisione paritaria basato sulla ricerca presente sulla copertina del 30 marzo di Scienza .

"Immagina gli elementi che si combinano per creare nanoparticelle come mattoncini Lego. Se hai solo da uno a tre colori e dimensioni, allora sei limitato da quali combinazioni puoi usare e quali strutture puoi assemblare, " spiega Liangbing Hu, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali presso l'UMD e uno degli autori corrispondenti dell'articolo. "Ciò che il nostro team ha fatto è essenzialmente allargare la cassa dei giocattoli nella sintesi delle nanoparticelle; ora, siamo in grado di costruire nanomateriali con quasi tutti gli elementi metallici e semiconduttori."

I ricercatori affermano che questo progresso nella nanoscienza apre vaste opportunità per una vasta gamma di applicazioni che includono la catalisi (l'accelerazione di una reazione chimica da parte di un catalizzatore), accumulo di energia (batterie o supercondensatori), e imaging bio/plasmonico, tra gli altri.

Per creare le nanoparticelle di lega ad alta entropia, i ricercatori hanno impiegato un metodo in due fasi di riscaldamento flash seguito da raffreddamento flash. Elementi metallici come platino, nichel, ferro da stiro, cobalto, oro, rame, e altri sono stati esposti a un rapido shock termico di circa 3, 000 gradi Fahrenheit, o circa la metà della temperatura del sole, per 0,055 secondi. La temperatura estremamente elevata ha portato a miscele uniformi dei molteplici elementi. Il successivo raffreddamento rapido (più di 100, 000 gradi Fahrenheit al secondo) ha stabilizzato gli elementi appena mischiati nel nanomateriale uniforme.

"Il nostro metodo è semplice, ma uno che nessun altro ha applicato alla creazione di nanoparticelle. Utilizzando un approccio di scienza fisica, piuttosto che un approccio chimico tradizionale, abbiamo realizzato qualcosa di senza precedenti, "dice Yonggang Yao, un dottorato di ricerca studente presso UMD e uno dei principali autori del documento.

Per dimostrare un potenziale uso delle nanoparticelle, il team di ricerca li ha usati come catalizzatori avanzati per l'ossidazione dell'ammoniaca, che è un passaggio chiave nella produzione di acido nitrico (un acido liquido che viene utilizzato nella produzione di nitrato di ammonio per fertilizzanti, fare plastica, e nella produzione di coloranti). Sono stati in grado di ottenere il 100% di ossidazione dell'ammoniaca e il 99% di selettività verso i prodotti desiderati con le nanoparticelle di lega ad alta entropia, dimostrando la loro capacità di catalizzatori altamente efficienti.

Yao afferma che un altro potenziale uso delle nanoparticelle come catalizzatori potrebbe essere la generazione di sostanze chimiche o combustibili dall'anidride carbonica.

"Le potenziali applicazioni per le nanoparticelle in lega ad alta entropia non si limitano al campo della catalisi. Con curiosità interdisciplinare, le applicazioni dimostrate di queste particelle diventeranno ancora più diffuse, "dice Steven D. Lacey, un dottorato di ricerca studente presso UMD e anche uno dei principali autori del documento.

Questa ricerca è stata condotta attraverso una collaborazione multi-istituzionale del gruppo del Prof. Liangbing Hu presso l'Università del Maryland, Parco dell'università; il gruppo del Prof. Reza Shahbazian-Yassar presso l'Università dell'Illinois a Chicago; il gruppo del Prof. Ju Li al Massachusetts Institute of Technology; il gruppo del Prof. Chao Wang alla Johns Hopkins University; e il gruppo del Prof. Michael Zachariah presso l'Università del Maryland, Parco del Collegio.

"Questo è abbastanza sorprendente; il Dr. Hu ha inventato in modo creativo questa potente tecnica, sintesi shock carbotermico, per produrre leghe ad alta entropia fino a otto elementi diversi in una singola nanoparticella. Questo è davvero impensabile per la sintesi di materiali sfusi. Questo è un altro bellissimo esempio di nanoscienza!, "dice Peidong Yang, la S.K. e Angela Chan Distinguished Professor of Energy e professore di chimica presso l'Università della California, Berkeley e membro dell'Accademia americana delle arti e delle scienze.

"Questa scoperta apre molte nuove direzioni. Ci sono opportunità di simulazione per comprendere la struttura elettronica delle varie composizioni e fasi che sono importanti per la prossima generazione di progettazione di catalizzatori. Inoltre, trovare correlazioni tra le vie di sintesi, composizione, e la struttura delle fasi e le prestazioni consentono un cambio di paradigma verso la sintesi guidata, "dice George Crabtree, Argonne Distinguished Fellow e direttore del Joint Center for Energy Storage Research presso l'Argonne National Laboratory.