Sedan bronsålderns gryning, människor har uppskattat fördelarna med att använda legeringar snarare än enskilda metaller för att göra bättre material. Nyligen, forskare har upptäckt ett recept för att göra små tvåmetallstrukturer som på liknande sätt kan utöka materialvetenskapens framkant.

Bimetalliska nanopartiklar – små korn som är några dussin till hundratals atomer stora – har ett enormt löfte som katalysatorer för ett antal olika tillämpningar, enligt Jeffrey Elam, en kemist vid det amerikanska energidepartementets Argonne National Laboratory. Dock, hittills saknade forskare en exakt och flexibel generell metod för att skapa dem.

Enligt Elam, traditionella metoder saknar precisionen för att göra en sats av rent bimetalliska nanopartiklar. Istället, de producerar en blandning av både bimetalliska och monometalliska nanopartiklar, och dessa olika nanopartiklar har olika kemiska egenskaper.

Enligt Elam, det finns två huvudtyper av bimetalliska nanopartiklar som forskare försöker konstruera. I en konfiguration, kallas kärnskal, en metall omger den andra helt, som godisöverdraget över chokladcentrumet på en Tootsie Pop. I den andra konfigurationen, kallas en legering, metallerna är homogent blandade på atomär skala, så att atomer av båda metallerna finns på ytan av nanopartikeln.

Teoretiska beräkningar förutspår att båda typerna av bimetalliska nanopartiklar kan vara exceptionella katalysatorer i tillämpningar som biobränslen och bränsleceller. Men forskare har saknat en generell strategi för att syntetisera båda typerna av nanopartiklar på vilken yta som helst och för ett brett spektrum av olika metaller.

För att övervinna dessa begränsningar, Elam och hans kollegor vid Argonne vände sig till atomlagerdeposition (ALD), en teknik lånad från halvledartillverkning, där extremt tunna materialark läggs ovanpå varandra en i taget. Varje gång en ALD "cykel" utförs, ett nytt materialark av bara några få atomer tjockt avsätts. ALD hade använts tidigare för att skapa en mängd olika material med anpassningsbara kemiska och elektriska egenskaper, men fram till nu hade forskare inte kunnat selektivt odla bimetalliska nanopartiklar med tillräcklig kontroll för att skapa framgångsrika katalysatorer.

ALD har tidigare använts för att odla nanopartiklar av en metall på ytor, men Argonne-genombrottet låter forskare odla den andra metallen endast på den första metallen, och inte på de omgivande ytorna. Nyckeln handlade om att noggrant kontrollera tillväxttemperaturen och ett klokt urval av de kemikalier som användes. Genom att använda denna strategi, Argonne-forskarna kunde tillverka nanopartiklar av både kärna och skal och legerade samtidigt som de kontrollerade partikelsammansättningen och partikelstorleken på en mängd olika ytor.

"Det är som att kunna anpassa en bil med exakt de funktioner du vill att den ska ha, " sa Elam. "När vi har skapat dessa anpassade nanopartikelkatalysatorer, vi kan ge dem vidare till våra forskarkollegor för en provkörning."

Denna studie organiserades av Institute for Atom-efficient Chemical Transformations (IACT), ett Energy Frontier Research Center finansierat av DOE:s Office of Science. Grundades 2009 som ett femårigt program, IACT samarbetade med Argonne med Brookhaven National Laboratory, Northwestern University, Purdue University och University of Wisconsin i Madison för att förbättra effektiviteten av omvandlingen av biomassaråvaror till brännbara bränslen.