Forskare vid HZB i samarbete med Humboldt-Universitaet zu Berlin har gjort en häpnadsväckande observation:de undersökte bildandet av guldnanopartiklar i ett lösningsmedel och observerade att nanopartiklarna inte hade fördelat sig enhetligt, men istället självmonterades till små kluster.

Detta bestämdes med användning av Small-Angle X-ray Scattering (SAXS) vid BESSY II. En grundlig undersökning med ett elektronmikroskop (TEM) bekräftade deras resultat. "Forskningen om detta fenomen fortsätter nu eftersom vi är övertygade om att sådana nanokluster lämpar sig som katalysatorer, oavsett om det är i bränsleceller, vid fotokatalytisk vattenklyvning, eller för andra viktiga reaktioner inom kemiteknik", förklarar Dr Armin Hoell från HZB. Resultaten har precis dykt upp i två peer reviewed internationella akademiska tidskrifter.

"Det speciella med den nya processen är att den är extremt enkel och fungerar med ett miljövänligt och billigt lösningsmedel", förklarar professor Klaus Rademann från HU Berlin. Lösningsmedlet består egentligen av två pulver som man tidigare skulle förvänta sig att hitta inom jordbruket som i ett forskningslaboratorium:ett tillskott i kycklingfoder (kolinklorid, aka vitamin B), och urea. Brittiska kollegor upptäckte för några år sedan att en blandning av de två pulvren bildar en transparent vätska som kan lösa upp metalloxider och tungmetaller, kallas djupt eutektiskt lösningsmedel (DES). Forskarna i Berlin placerade sedan ovanför lösningsmedelsguldfolien som de kunde bombardera med joner av ädelgas för att lossa enskilda guldatomer. Så här bildades initialt nanopartiklar som fördelade sig i lösningsmedlet.

Två överraskande resultat:Nanopartiklar förblir små och bildar kluster

Ju längre bombardementet (sputtringen) av guldfolien varade, ju större nanopartiklarna kan bli, resonerade forskarna. Dock, så var inte fallet:partiklarna upphörde att växa vid fem nanometer. Istället, ett ökande antal nanopartiklar bildas under längre sputtertider. Den andra överraskningen:dessa nanopartiklar fördelade sig inte jämnt i vätskan, utan istället självmonterade till små grupper eller kluster som kunde bestå av upp till tolv nanopartiklar.

Den här typen av observationer kan inte enkelt göras under ett mikroskop, självklart, men kräver istället en indirekt, statistiskt tillvägagångssätt:"Använda småvinklar röntgenspridning vid BESSY II, vi kunde inte bara konstatera att nanopartiklarna alla är runt fem nanometer i diameter, men också mäta vad separationerna mellan dem är. Från dessa mätningar, vi hittade nanopartiklarna ordna sig i kluster", förklarar Hoell.

Sammanhängande bild genom simuleringar, liten vinkelspridning och elektronmikroskopi

"Vi körde datormodeller i förväg om hur nanopartiklarna kunde distribuera sig själva i lösningen för att bättre förstå mätresultaten, och jämförde sedan resultaten av simuleringen med resultaten av röntgenspridningen med liten vinkel", förklarar Dr. Vikram Singh Raghuwanshi, som arbetar som postdoc vid HU Berlin samt HZB. En bild från det kryogena transmissionselektronmikroskopet som kollegor vid HU förberedde bekräftade deras fynd. "Men vi kunde inte ha uppnått detta resultat med enbart elektronmikroskopi, eftersom den bara kan visa detaljer och delar av provet", Hoell betonade. "Småvinklar röntgenspridning är oumbärlig för att mäta allmänna trender och medelvärden!"

Lösningsmedel är avgörande

Det är uppenbart för forskarna att det speciella DES-lösningsmedlet spelar en viktig roll i denna självorganiserande process:olika interaktioner mellan lösningsmedlets joner och guldpartiklarna resulterar för det första i att nanopartiklarna bara når några tusen atomer i storlek, och för det andra att de ömsesidigt attraherar något – men bara svagt – så att de små klungorna uppstår. "Vi vet, dock, att dessa typer av små kluster av nanopartiklar är särskilt effektiva som katalysatorer för kemiska reaktioner vi vill ha:en mångfaldig ökning av reaktionshastigheten på grund av enbart partikelarrangemang har redan demonstrerats", säger Rademann.

Forskning om katalytisk prestanda planerad

Dr Raghuwanshi kommer att hålla ett föredrag om dessa resultat, samt ge en förhandstitt på de katalysforskningsmetoder som nu planeras, vid den internationella konferensen, IUCr2014, äger rum 5-12 augusti 2014 i Montreal, Kanada.

Under det kommande året, HZB kommer för övrigt att vara en av värdarna för den 16:e International Small-Angle Scattering Conference, SAS2015.