Nanogocce di metallo liquido, simili a pianeti, sono state formate con successo con una nuova tecnica sviluppata presso la RMIT University, in Australia. Come il nostro pianeta Terra, le nanogocce presentano una "crosta" esterna, un "mantello" di metallo liquido e un "nucleo" solido.
Il solido nucleo intermetallico è la chiave per ottenere una miscela più omogenea, "bloccando" la stessa quantità di soluto (ovvero i metalli "bersaglio") in ciascuna goccia legata.
Il gruppo di ricerca ha raggiunto l’omogeneità attraverso la completa dissoluzione all’interno del mezzo di metallo liquido, resa possibile dal sale fuso ad alta temperatura. Il loro articolo, "Sintesi di nanogocce di metallo liquido simili a pianeti con proprietà promettenti per la catalisi", è stato pubblicato su Advanced Functional Materials nel luglio 2023.
La scoperta crea nuove opportunità di ricerca nella chimica fondamentale dei metalli liquidi, nonché in applicazioni diverse come l'elettronica flessibile, i materiali a cambiamento di fase, i catalizzatori, le celle a combustibile e gli antimicrobici a base di argento.
Negli ultimi anni i metalli liquidi sono emersi come una nuova promettente frontiera della ricerca chimica, fungendo da nuova interfaccia di reazione per solventi e catalizzatori.
Possono anche fungere da materiale funzionale offrendo un'elevata conduttività, grazie a legami metallici delocalizzati, e un interno morbido e fluido.
Con l'emergere di catalisi, rilevamento e applicazioni nanoelettroniche che si basano sul raggiungimento di ampie superfici, la sintesi di nanogocce di metalli liquidi è diventata un obiettivo importante.
Sono molte le combinazioni possibili quando si creano leghe per applicazioni specifiche, ad esempio sciogliendo il rame (il soluto) nel gallio liquido (il solvente metallico).
Le nanogocce di metallo liquido vengono create mediante agitazione meccanica utilizzando onde sonore in un solvente come etanolo o acqua.
Tuttavia, durante questo processo di "sonicazione", le leghe di metallo liquido hanno avuto la tendenza a "delegarsi", cioè a rompersi nei metalli costituenti.
Questo è il risultato di metodi precedenti che tentavano di dissolvere i metalli a temperature relativamente basse, vicine alla temperatura ambiente. "Proprio come è possibile sciogliere più zucchero nell'acqua calda che nell'acqua fredda, più rame può essere sciolto nel gallio più caldo", afferma l'autore principale Caiden Parker, Ph.D. candidato presso RMIT.
A basse temperature, parte del soluto metallico si riforma in particelle solide più grandi prima della completa dissoluzione.
La composizione risultante ha proprietà incoerenti e disomogenee, con la composizione delle singole nanogocce che varia considerevolmente. "In casi estremi, molte o addirittura la maggior parte delle nanogocce possono essere essenzialmente prive del soluto metallico, che finisce per essere concentrato solo in pochissime particelle", afferma l'autore corrispondente Dr. Torben Daeneke, anche lui dell'RMIT.
Questa disomogeneità e la presenza di composti intermetallici pongono notevoli difficoltà ai ricercatori che desiderano comprendere i meccanismi fondamentali in atto nella chimica dei metalli liquidi.
Nel nuovo studio, i ricercatori RMIT hanno risolto il problema della deallega riscaldando in modo significativo il processo di sintesi (fino a 400°C) per garantire che il soluto metallico fosse completamente disciolto e introducendo un fluido di sospensione di sale fuso accuratamente selezionato.
È stato scelto l'acetato di sodio perché rimane stabile alle alte temperature e può essere facilmente rimosso in seguito.
Le nanogocce risultanti presentano un'interessante struttura simile a un pianeta costituita da un guscio esterno (ossido), un mantello liquido (metallico) e un nucleo centrale solido e sospeso (intermetallico).
"Siamo rimasti immediatamente colpiti dalla somiglianza delle nanogocce con un pianeta simile alla Terra, con un guscio esterno solido, un mantello di metallo liquido e un nucleo di metallo solido", afferma Caiden.
Quel nucleo solido è la chiave del successo della nuova tecnica, "bloccando" la stessa quantità di soluto in ciascuna gocciolina legata.
"Siamo stati inoltre lieti di vedere che le nostre nuove nanogocce metalliche simili a pianeti erano ovunque", continua Caiden.
Il sistema è stato distribuito in modo omogeneo, con una resa in uscita notevolmente migliorata. L'analisi al microscopio elettronico a trasmissione (TEM) ha confermato che la struttura centrale è osservata in quasi ogni gocciolina.
La presenza del nucleo solido promuove anche un uso molto interessante delle nanogocce planetarie nelle reazioni catalitiche, accelerando le reazioni chimiche.
Le nanogocce di rame-gallio studiate hanno fornito risultati promettenti nell'ossidazione elettrocatalitica dell'etanolo, che potrebbe essere applicata nelle celle a combustibile a etanolo.
La rimozione dell'acetato di sodio è importante prima di questa reazione catalitica, poiché il sale viene facilmente rimosso in semplici bagnimaria.
La nuova e promettente tecnica apre il potenziale utilizzo di nanogocce ad alta superficie in un'ampia gamma di applicazioni future, tra cui, ma non limitate a, materiali elettronici o catalitici.
La scala fisica delle nanogocce (cioè nano anziché micro) aiuterà anche gli studi fondamentali sulla chimica dei metalli liquidi, compreso l'esame della natura precisa della formazione di legami all'interno dei metalli liquidi, delle capacità di solvatazione, delle dinamiche di cristallizzazione e della chimica colloidale generale che può si verificano all'interno di vari sistemi di metallo fuso.
"Le strutture simili a pianeti sono come piccoli laboratori in miniatura, che ci permettono di studiare come si comportano i metalli fusi a livello atomico", afferma Torben.
Sebbene lo studio abbia dimostrato la fattibilità della nuova tecnica utilizzando un sistema rame-gallio, gli autori si aspettano ulteriori lavori per confermare che la tecnica avrà successo utilizzando altre combinazioni di sistemi di leghe di soluto e solvente, a cominciare da argento, zinco o bismuto nel gallio liquido. , stagno o indio.
"Un vantaggio chiave dei sistemi a metallo liquido è la capacità di regolare la miscela di metalli per determinate applicazioni, a seconda delle proprietà dei metalli costituenti", afferma Caiden.
"Ad esempio, il rame è un ottimo conduttore elettrico. Quando combiniamo il rame con il gallio, non solo risparmiamo in modo significativo sui costi di consumo del materiale, ma apriamo anche la strada all'elettronica flessibile, come quella che potresti aver visto nei film di fantascienza. "
Potenzialmente, il rame può essere utilizzato anche per le sue proprietà termiche, con la potenziale applicazione di nanogocce a base di rame nei sistemi di dissipazione del calore.
Nel nuovo studio sono già state testate applicazioni di catalisi di nanogocce basate sulla capacità del rame di accelerare le reazioni, con un'area del sito attivo migliorata oltre al risparmio nella sintesi dei materiali.
Considerando un altro metallo, l'argento ha già trovato applicazioni basate sulle sue proprietà antimicrobiche e, una volta combinato con il gallio, potrebbe creare un'alternativa più biodisponibile.
"Pertanto le potenziali applicazioni della nuova tecnologia sono estremamente ampie. Qualsiasi industria che necessiti di nanomateriali può utilizzare il sistema, con i metalli costituenti che variano a seconda dell'applicazione", afferma Torben.
Ulteriori informazioni: Caiden J. Parker et al, Sintesi di nanogocce di metallo liquido simili a pianeti con proprietà promettenti per la catalisi, Materiali funzionali avanzati (2023). DOI:10.1002/adfm.202304248
Informazioni sul giornale: Materiali funzionali avanzati
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