En förenklad teknik för att tillverka nanokristaller av ceriumdioxid (CeO2), som har omfattande tekniska och industriella tillämpningar, har "oväntat" demonstrerats av en UNSW -kemist.

Den UNSW-ledda studien avslöjar att nanokristaller bildas naturligt när ett föregångsmaterial-Cerium (IV)-löses upp och hydrolyseras i vatten. Det är första gången denna bildningsprocess har observerats.

Resultaten, rapporterade i Chemistry - A European Journal , kan förenkla den befintliga produktionsprocessen, vilket kräver uppvärmning och tillsats av kemikalier för att bättre kontrollera kristallernas form och storlek.

"Det viktigaste fyndet är att cerium (IV) har en inneboende karaktär för att bilda nanokristaller av likformig ceriumdioxid av ungefär två till tre nanometer i en vattenlösning via hydrolys, "säger huvudförfattaren Dr Atsushi Ikeda-Ohno från UNSW School of Civil and Environmental Engineering.

"Resultaten av denna studie ger ett grundläggande koncept för att förenkla och underlätta produktionsprocessen och innebär att vi bara behöver justera pH -värdet för den vattenhaltiga lösningen ... utan uppvärmning eller tillsats av kemikalier, "säger han." Detta kan spara pengar på energikostnader och bidra till att minska miljöpåverkan från hela produktionsprocessen. "

Ceriumdioxid nanokristaller bildas av det sällsynta jordartsmaterialet Cerium. De används som katalysatorer för att behandla farliga gaser - omvandlar giftiga ångor till mindre skadliga utsläpp; som elektroder i bränsleceller; och i solskyddsmedel och kosmetika på grund av deras förmåga att absorbera höga nivåer av UV -strålning.

Det finns ett växande intresse för tillverkning av dessa material, med tanke på deras omfattande tillämpningar, men det är relativt lite känt om de mekanismer som styr deras bildning. Dessa mekanismer är direkt kopplade till förmågan att kontrollera sin form och storlek - funktioner som styr en kristalls funktionalitet.

Ett av de största hindren för att studera dessa bildningsmekanismer har varit bristen på analytiska verktyg för att göra det på plats, säger Ikeda-Ohno.

Hans studie var inledningsvis inriktad på att observera effekten av hydrolys på Cerium (IV) och utveckla en förbättrad analytisk strategi, med hjälp av en kombination av spektroskopiska verktyg, att observera och bättre förstå bildningsprocessen. Men sedan hände något oväntat.

"När jag först undersökte tydligen transparenta lösningar av Cerium (IV) vid olika pH med hjälp av en röntgenteknik insåg jag att lösningarna inte var sammansatta av enkla upplösta arter ... men innehöll mycket små kolloidala partiklar som inte är visuellt igenkännliga, " han sa.

Efter att ha applicerat ytterligare spektroskopiska och mikroskopiska tekniker för att karakterisera dessa mystiska partiklar, han bestämde att de i själva verket var nanokristaller av ceriumdioxid.

"Som en konsekvens, vi har lyckats observera hela utvecklingsprocessen från föregångaren till ceriumdioxid nanokristaller, "står det i rapporten.

"I denna studie har jag visat att en kombination av avancerade analytiska tekniker, särskilt synkrotronbaserade röntgentekniker ... ger ett mycket kraftfullt verktyg för att undersöka utvecklingen av metallnanokristaller in situ, "säger Ikeda-Ohno.

"En fullständig förståelse av" utvecklingsprocessen "från föregångaren till de resulterande nanokristallerna gör det möjligt för oss att skräddarsy dessa material till praktiska behov."

Nästa steg mot att förverkliga den hydrolysbaserade tillverkningstekniken är att identifiera det kritiska pH-tillstånd vid vilket nanokristallerna börjar bildas. Ikeda-Ohno säger att det tillvägagångssätt han utvecklat kan användas för detta ändamål, och kan också appliceras på andra metall-nanokristaller.