En ny studie från North Carolina State University visar att storlek spelar en nyckelroll för att bestämma strukturen hos vissa ihåliga nanopartiklar. Forskarna fokuserade på nickelnanopartiklar, som har intressanta magnetiska och katalytiska egenskaper som kan ha tillämpningar inom så olika områden som energiproduktion och nanoelektronik.

"De principer vi avslöjar här har stor potential för nanotillverkning - skapandet av material som har mycket små egenskaper, med många tillämpningar inom områden som sträcker sig från elektronik till medicin, " säger Dr Joe Tracy, en biträdande professor i materialvetenskap och teknik vid NC State och medförfattare till studien. "Denna studie förbättrar vår förståelse av ihåliga nanopartiklar och är en grund för framtida arbete med tillämpningar inom magnetisk inspelning med ultrahög densitet och effektivare katalysatorer, som är användbar för kemisk produktion, avfallshantering och energiproduktion."

Det handlar om oxidation av nickelnanopartiklar. Om du börjar med en "kärna" bit nickel och oxiderar den, utsätta den för syre vid höga temperaturer, materialets struktur förändras. Om materialet är delvis oxiderat - utsätts för syre och hög värme under en begränsad tid - bildas ett fast nickeloxidskal runt materialet.

Om materialet utsätts för värme och syre under en längre tid, ytterligare oxidation inträffar. Det yttre skalet finns kvar, men nickel transporteras ut ur kärnan, lämnar ett tomrum. Om materialet är helt oxiderat, ett större tomrum skapas - vilket gör att nickeloxidskalet blir effektivt ihåligt. Denna omvandling av fasta till ihåliga nanopartiklar är känd som "Kirkendall-effekten i nanoskala."

Men vad NC State forskare har funnit är att storleken på nickelkärnan också spelar en nyckelroll i strukturen av dessa partiklar. Till exempel, i mindre nickelnanopartiklar - de med kärnor med diametrar mindre än 30 nanometer (nm) - bildas ett enda tomrum inuti skalet under oxidation. Detta resulterar i en asymmetrisk kärna av nickel, med ett enda tomrum som växer på ena sidan av kärnan. Den återstående kärnan krymper när oxidationsprocessen fortsätter. Detta är betydelsefullt, till viss del, eftersom nickeloxidskalet blir allt tjockare på den sida som anligger mot kärnan. Ju större kärnan - inom 30 nm-gränsen - desto tjockare blir den sidan av skalet. Med andra ord, du får ett nickeloxidskal som kan vara betydligt tjockare på ena sidan än den andra.

Dock, forskarna fann att större nickelnanopartiklar gör något helt annat. Forskarna testade nanopartiklar med nickelkärnor som var 96 nm i diameter, och fann att oxidationsprocessen i dessa nanopartiklar skapade flera tomrum i kärnan - även om själva kärnan förblev helt omgiven av nickeloxidskalet. Denna process resulterade effektivt i skapandet av bubblor i hela kärnan. "Skeletten" av dessa bubblor fanns fortfarande kvar, även efter full oxidation, skapa ett i huvudsak ihåligt skal som fortfarande var kors och tvärs med några rester av nickelkärnan.

"Detta säger oss mycket om hur man skapar strukturer i nanoskala med Kirkendall-effekten i nanoskala, " säger Tracy. "Det är en byggsten för framtida forskning inom området."