I ricercatori dell'ETH sono riusciti a produrre nanocristalli costituiti da due metalli diversi utilizzando un processo di fusione in cui un metallo liquido penetra in uno solido. Questa tecnica nuova e sorprendentemente intuitiva rende possibile produrre una vasta gamma di nanocristalli intermetallici con proprietà su misura per diverse applicazioni.

I nanocristalli sono sfere di dimensioni nanometriche costituite da atomi regolarmente disposti. Grazie alle loro proprietà vantaggiose, sono in aumento in diverse tecnologie. Nanocristalli semiconduttori, ad esempio, sono utilizzati negli schermi televisivi di nuova generazione. Più recentemente, cosiddetti nanocristalli intermetallici, in cui due metalli diversi si combinano per formare un reticolo cristallino, si sono fatti un nome in quanto promettono applicazioni migliorate e uniche. Tali applicazioni spaziano dalla catalisi all'archiviazione dei dati e alla medicina.

In teoria, ci sono decine di migliaia di possibili combinazioni di metalli che potrebbero formare tali nanocristalli, con un numero corrispondentemente elevato di diverse proprietà del materiale. Finora, però, è stato possibile realizzare nanocristalli solo da alcuni di questi accoppiamenti. Un team di ricercatori dell'ETH di Zurigo guidato da Maksym Yarema e Vanessa Wood dell'Institute for Electronics ha ora sviluppato una nuova tecnica che, in linea di principio, permette di realizzare quasi tutte le possibili combinazioni di nanocristalli intermetallici. I loro risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista scientifica Progressi scientifici .

Metodo sorprendentemente intuitivo

"Il nostro metodo è semplice e intuitivo, così intuitivo, infatti, che siamo rimasti sorpresi che nessuno avesse avuto questa idea prima di noi, " dice Yarema. Nelle procedure convenzionali per la produzione di nanocristalli costituiti da un singolo metallo, gli atomi di metallo vengono introdotti in forma molecolare, per esempio come sali, in una soluzione in cui si formano poi i nanocristalli. "In teoria si può fare anche con due metalli diversi, ma in pratica è difficile, o addirittura impossibile, combinare metalli nettamente dissimili nel reattore, " spiega Yarema. Pertanto, gli scienziati dell'ETH hanno fatto ricorso a una procedura che è stata utilizzata per secoli:l'amalgama, un particolare tipo di fusione o miscelazione di metalli.

Metalli liquidi

Gli amalgami sono particolarmente noti in odontoiatria, dove vengono utilizzati come materiale di riempimento, e anche dall'estrazione dell'oro. In entrambi i casi, mercurio liquido viene aggiunto per dissolvere altri metalli (per otturazioni dentali, una miscela di rame, zinco e argento). Però, l'amalgama funziona anche con qualsiasi altro metallo liquido. Oltre al mercurio, che è liquido anche a temperatura ambiente, ci sono un certo numero di metalli con punti di fusione relativamente bassi, come il gallio (30 gradi centigradi), indio (157 gradi) o stagno (232 gradi).

Approccio di amalgama per i nanocristalli

Yarema ei suoi colleghi utilizzano l'approccio di amalgama su scala nanometrica. La reazione inizia con la dispersione di nanocristalli contenenti un solo metallo, per esempio argento. Quindi, gli atomi del secondo metallo, diciamo, gallio:vengono aggiunti in forma molecolare (in questo caso come ammidi, un composto di carbonio, idrogeno, e azoto), mentre la miscela viene riscaldata a circa 300 gradi.

Inizialmente, l'alta temperatura provoca la rottura dei legami chimici nella gallio-ammide, permettendo al gallio liquido di accumularsi sui nanocristalli d'argento. Ora, inizia il vero e proprio processo di aggregazione, durante il quale il gallio liquido si insinua nell'argento solido. Nel tempo si forma un nuovo reticolo cristallino, in cui alla fine gli atomi di argento e gallio si dispongono regolarmente. Poi tutto si è raffreddato di nuovo, e dopo dieci minuti i nanocristalli sono pronti. "Siamo stupiti di quanto sia efficiente l'amalgama su scala nanometrica. Avere un componente di metallo liquido è la chiave per una lega rapida e uniforme all'interno di ogni nanocristallo, " dice Yarema.

Processo controllabile

Utilizzando la stessa tecnica, i ricercatori hanno già prodotto diversi nanocristalli intermetallici come oro-gallio, rame-gallio e palladio-zinco. Il processo di fusione stesso può essere guidato con precisione. Attraverso il numero di atomi secondari, introdotti nella soluzione come ammidi, la proporzione dei metalli nei nanocristalli può essere controllata con precisione. Prendendo l'esempio dell'oro-gallio (simboli chimici Au e Ga), i ricercatori hanno dimostrato che in questo modo si possono produrre nanocristalli con proporzioni molto diverse, come 1:2 (AuGa ₂ ), 1:1 (AuGa) o 7:2 (Au ₇ Ga ₂ ). La dimensione dei nanocristalli intermetallici finali può anche essere prevista precisamente dalla dimensione dei nanocristalli iniziali e dall'aumento di dimensione dovuto al secondo metallo.

Nanocristalli su misura per applicazioni

I ricercatori prevedono un grande potenziale per le applicazioni tecnologiche grazie all'esatta controllabilità della composizione e delle dimensioni dei nanocristalli insieme alla possibilità di combinare i metalli quasi a piacimento. "Poiché la sintesi di amalgama dei nanocristalli consente così tante nuove composizioni, non vediamo l'ora di vederli all'opera in catalisi migliorata, plasmonica o batterie agli ioni di litio, " dice Yarema. Catalizzatori fatti di nanocristalli, ad esempio, possono essere adattati e ottimizzati con precisione per un particolare processo chimico che dovrebbero accelerare.