(Phys.org) —Guldtackor kan betyda stor rikedom, men den ädla metallen ger ett mycket mer praktiskt slag när den krympts ner till bara miljarddels meter. Tyvärr, Att låsa upp guldets potential kräver ofta komplexa syntestekniker som producerar känsliga strukturer med extrem känslighet för värme.

Nu, forskare vid det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory har upptäckt en process för att skapa unikt strukturerade guld-indium-nanopartiklar som kombinerar hög stabilitet, stor katalytisk potential, och en enkel syntesprocess. De nya nanostrukturerna – detaljerade online den 10 juni i Proceedings of the National Academy of Sciences – kan förbättra många olika kommersiella och industriella processer, inklusive fungera som ett effektivt material för katalysatorer i bilar.

"Vi upptäckte en rumstemperaturprocess som omvandlar en enkel legering till en nanostruktur med anmärkningsvärda egenskaper, " sa fysikern Eli Sutter, huvudförfattare på studien. "Genom att exponera guld-indiumlegeringens nanopartiklar för luft, omgivande syre kunde driva en oxidationsreaktion som omvandlade dem till en aktiv kärna-skalstruktur."

Större guldbitar visar den lägsta kemiska reaktiviteten av alla metaller, men uppdelad i diskreta nanopartiklar, guld kan bli en mycket aktiv kemisk katalysator. Men att hålla guldet i detta aktiva tillstånd är en pågående utmaning. Även under måttlig värme, de små guldpartiklarna tenderar att sintra – smälta samman till mycket större bitar – och förlora den avgörande reaktiviteten. Att länka guld med andra element, dock, kan både öka hållbarheten och behålla katalysatorkvaliteten – men bara om strukturen är perfekt.

"När vi såg dessa nya nanopartiklar med guld genom sina amorfa skal, vi insåg omedelbart materialets exceptionella potential, " sa fysiker och studiemedförfattare Peter Sutter. "Närvaron av guld inbäddat i de yttersta atomskikten av oxidskalet upphetsar oss inte bara som forskare, men det är nyckeln till den katalytiska aktiviteten och förbättrade stabiliteten hos det nya materialet."

Brookhaven Lab-forskarna studerade oxidationsprocesser genom vilka metaller och legeringar kombineras med syre när de gjorde upptäckten. För denna studie, de undersökte legeringar av en ädel metall och en icke-ädel metall genom en anmärkningsvärt enkel reaktionsteknik:ge guld-indium nanopartiklar lite utrymme att andas. När nanopartiklar av metallegeringen exponerades för syre, mycket reaktiva skal av guld-indiumoxid som bildas över deras ytor.

"Konventionell visdom skulle säga att oxidation bör trycka guldatomerna in i mitten samtidigt som det drar det mindre ädla indiumet till ytan, skapa en ädelmetallkärna som är omgiven av ett skal av icke-reaktiv indiumoxid, " sa Peter Sutter. "Istället, syret trängde faktiskt igenom legeringen. Efter oxidation, legeringskärnan i nanopartiklarna var inkapslad av ett nybildat tunt skal av blandad guld-indiumoxid."

Att fånga guld i det amorfa oxidskalet behåller sina katalytiska egenskaper och förhindrar att guldet sintrar och blir inert. De nya nanostrukturerna visade sig kunna omvandla syre och kolmonoxid till koldioxid, visa sin aktivitet som katalysator.

"Indium och guld i skalet är inte rörliga, men är frusna i det amorfa, oxid, " sa Eli Sutter. "Viktigt, den strukturella integriteten håller utan sintring vid temperaturer på upp till 300 grader Celsius, gör dessa anmärkningsvärt motståndskraftiga jämfört med andra guld nanokatalysatorer."

Forskningen utfördes vid Brookhaven Labs Center for Functional Nanomaterials (CFN), vars unika faciliteter för syntes och karakterisering i nanoskala visade sig vara central för upptäckten av denna nya process.

"CFN samlar ett brett utbud av toppmoderna instrument och expertis under ett tak, påskynda forskningen och underlätta samarbete, ", sa Eli Sutter. "Vi använde transmissionselektronmikroskopi för att karakterisera strukturerna och deras sammansättning, röntgenfotoelektronspektroskopi för att bestämma den kemiska bindningen vid ytan, och jonspridningsspektroskopi för att identifiera de yttersta atomerna i nanopartikelskalet."

Ytterligare undersökningar kommer att hjälpa till att bestämma egenskaperna hos guld-indiumoxidpartiklarna i olika katalytiska reaktioner, och samma oxidationsprocess kommer att tillämpas på andra metallegeringar för att skapa en hel familj av nya funktionella material.