Ett internationellt team av forskare har använt banbrytande elektronmikroskopitekniker för att upptäcka en viktig mekanism bakom metalliska nanopartiklars reaktion med miljön.
Avgörande, forskningen som leds av University of York och rapporterades i Naturmaterial , visar att oxidation av metaller - processen som beskriver, till exempel, hur järn reagerar med syre, i närvaro av vatten, att bilda rost - går mycket snabbare i nanopartiklar än i makroskopisk skala. Detta beror på den stora mängden stam som införs i nanopartiklarna på grund av deras storlek som är över tusen gånger mindre än bredden på ett människohår.
Att förbättra förståelsen för metalliska nanopartiklar – särskilt de av järn och silver – är av avgörande betydelse för forskare på grund av deras många potentiella tillämpningar. Till exempel, järn- och järnoxidnanopartiklar anses viktiga inom områden som sträcker sig från rena bränsleteknologier, datalagring och katalys med hög densitet, till vattenbehandling, marksanering, riktad läkemedelsleverans och cancerterapi.
Forskargruppen, som också inkluderade forskare från University of Leicester, National Institute for Materials Science, Japan och University of Illinois i Urbana-Champaign, USA, använde den oöverträffade upplösningen som kan uppnås med aberrationskorrigerad sveptransmissionselektronmikroskopi för att studera oxidationen av kubiska järnnanopartiklar och utförde stamanalys på atomnivå.
Utredare Dr Roland Kröger, från University of Yorks Department of Physics, sa:"Med ett tillvägagångssätt som utvecklats i York och Leicester för att producera och analysera mycket väldefinierade nanopartiklar, vi kunde studera metalliska nanopartiklars reaktion med omgivningen på atomnivå och få information om påkänning associerad med oxidskalet på en järnkärna.
"Vi fann att oxidfilmen växer mycket snabbare på en nanopartikel än på en enda järnkristall - i själva verket många storleksordningar snabbare. Analys visade att det fanns en häpnadsväckande belastning och böjning i nanopartiklar som skulle leda till defekter i bulk material."
Forskarna använde en metod som kallas Z-kontrastavbildning för att undersöka oxidskiktet som bildas runt en nanopartikel efter exponering för atmosfären, och fann att inom två år var partiklarna fullständigt oxiderade.
Motsvarande författare Dr Andrew Pratt, från Yorks institution för fysik och Japans nationella institut för materialvetenskap, sade:"Oxidation kan drastiskt förändra ett nanomaterials egenskaper - på gott och ont - och därför är förståelsen av denna process på nanoskala av avgörande betydelse. Detta arbete kommer därför att hjälpa dem som vill använda metalliska nanopartiklar i miljömässiga och tekniska tillämpningar eftersom det ger en djupare insikt i de förändringar som kan inträffa under deras önskade funktionella livstid. "
Det experimentella arbetet utfördes vid York JEOL Nanocentre och Institutionen för fysik vid University of York, Institutionen för fysik och astronomi vid University of Leicester och Frederick-Seitz Institute for Materials Research vid University of Illinois i Urbana-Champaign.
Forskarna fick bilder under en period av två år. Efter denna tid, järnnanopartiklarna, som ursprungligen var kubformade, hade blivit nästan sfäriska och helt oxiderade.
Professor Chris Binns, från University of Leicester, sa:"Under många år på Leicester har vi utvecklat syntestekniker för att producera mycket väldefinierade nanopartiklar och det är fantastiskt att kombinera denna teknik med de utmärkta faciliteterna och expertis som finns i York för att göra sådan genomträngande vetenskap. Detta arbete är bara början och vi avser att dra nytta av våra kompletterande förmågor för att initiera ett bredare samarbetsprogram."
