Lo sviluppo di nanoparticelle bimetalliche (cioè, minuscole particelle composte da due metalli diversi che presentano diverse proprietà nuove e migliorate) rappresenta una nuova area di ricerca con un'ampia gamma di potenziali applicazioni. Ora, un gruppo di ricerca della A. James Clark School of Engineering dell'Università del Maryland (UMD) ha sviluppato un nuovo metodo per mescolare i metalli generalmente noti per essere immiscibili, o non miscelabile, su scala nanometrica per creare una nuova gamma di materiali bimetallici. Tale libreria sarà utile per studiare il ruolo di queste particelle bimetalliche in vari scenari di reazione come la trasformazione dell'anidride carbonica in carburante e sostanze chimiche.

Lo studio, guidato dal professor Liangbing Hu, è stato pubblicato in Progressi scientifici il 24 aprile, 2020. Il ricercatore associato Chunpeng Yang è stato il primo autore dello studio.

"Con questo metodo, possiamo sviluppare rapidamente diversi bimetallici utilizzando vari elementi, ma con la stessa struttura e morfologia, " ha detto Hu. "Allora possiamo usarli per schermare i materiali catalitici per una reazione; tali materiali non saranno limitati dalle difficoltà di sintesi."

La natura complessa delle particelle bimetalliche nanostrutturate rende difficile la miscelazione di tali particelle con metodi convenzionali, per una serie di motivi, tra cui la composizione chimica dei metalli, dimensione delle particelle, e come i metalli si dispongono su scala nanometrica.

Questo nuovo metodo di sintesi non in equilibrio espone le miscele a base di rame a uno shock termico di circa 1300 gradi Celsius per 0,02 secondi e poi le raffredda rapidamente a temperatura ambiente. L'obiettivo di utilizzare un intervallo così breve di calore termico è intrappolare rapidamente, o 'congelare, ' gli atomi di metallo ad alta temperatura a temperatura ambiente mantenendo il loro stato di miscelazione. Così facendo, il team di ricerca è stato in grado di preparare una raccolta di leghe omogenee a base di rame. Tipicamente, il rame si mescola solo con pochi altri metalli, come zinco e palladio, ma utilizzando questo nuovo metodo, il team ha ampliato la gamma miscibile per includere rame con nichel, ferro da stiro, e argento, anche.

"Utilizzando un microscopio elettronico a scansione e un microscopio elettronico a trasmissione, siamo stati in grado di confermare la morfologia - come si sono formati i materiali - e le dimensioni delle nanoparticelle bimetalliche di Cu-Ag [rame-argento] risultanti, " ha detto Yang.

Questo metodo consentirà agli scienziati di creare sistemi di nanoparticelle più diversificati, strutture, e materiali aventi applicazioni in catalisi, applicazioni biologiche, applicazioni ottiche, e materiali magnetici.

Come sistema modello per lo sviluppo rapido di catalizzatori, il team ha studiato le leghe a base di rame come catalizzatori per le reazioni di riduzione del monossido di carbonio, in collaborazione con Feng Jiao, professore all'Università del Delaware. L'elettrocatalisi della riduzione del monossido di carbonio (COR) è una piattaforma interessante, consentendo agli scienziati di utilizzare i gas serra e l'energia elettrica rinnovabile per produrre combustibili e prodotti chimici.

"Il rame è, finora, il più promettente elettrocatalizzatore monometallico che guida la riduzione del monossido di carbonio a prodotti chimici a valore aggiunto, " ha affermato Jiao. "La capacità di sintetizzare rapidamente un'ampia varietà di nanoleghe bimetalliche a base di rame con una struttura uniforme ci consente di condurre studi fondamentali sulla relazione struttura-proprietà nel COR e in altri sistemi catalitici".

La strategia sintetica di non equilibrio può essere estesa ad altri sistemi bimetallici o ossidi metallici, pure. Utilizzando l'apprendimento automatico basato sull'intelligenza artificiale, il nuovo metodo sintetico renderà possibile uno screening rapido del catalizzatore e una progettazione razionale.