Som snöflingor, nanopartiklar finns i en mängd olika former och storlekar. Geometrin hos en nanopartikel är ofta lika inflytelserik som dess kemiska sammansättning för att bestämma hur den beter sig, från dess katalytiska egenskaper till dess potential som en halvledarkomponent.

Tack vare en ny studie från U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, forskare är närmare att förstå processen genom vilken nanopartiklar gjorda av mer än ett material – så kallade heterostrukturerade nanopartiklar – bildas. Denna process, känd som heterogen kärnbildning, är samma mekanism genom vilken kondenspärlor bildas på en fönsterruta.

Heterostrukturerade nanopartiklar kan användas som katalysatorer och i avancerade energiomvandlings- och lagringssystem. Vanligtvis, dessa nanopartiklar skapas av små "frön" av ett material, ovanpå vilket ett annat material odlas. I den här studien, Argonne-forskarna märkte att skillnaderna i de två materialens atomarrangemang har stor inverkan på formen på den resulterande nanopartikeln.

"Innan vi startade detta experiment, det var inte helt klart vad som händer i gränssnittet när ett material växer på ett annat, " sa nanoforskaren Elena Shevchenko från Argonne Center for Nanoscale Materials, en DOE Office of Science-användaranläggning.

I den här studien, forskarna observerade bildandet av en nanopartikel bestående av platina och guld. Forskarna började med ett platinafrö och odlade guld runt det. Initialt, guldet täckte platinafröets yta jämnt, skapa en typ av nanopartikel som kallas "kärna-skal". Dock, allt eftersom mer guld deponerades, det började växa ojämnt, skapa en hantelliknande struktur.

Tack vare den senaste röntgenanalys som tillhandahålls av Argonnes Advanced Photon Source (APS), en DOE Office of Science-användaranläggning, forskarna identifierade orsaken till hantelbildningen som "gittermissmatch, " där avståndet mellan atomerna i de två materialen inte är i linje.

"Väsentligen, du kan tänka på gallerfel som att ha en rad med mindre lådor på det undre lagret och större lådor på det översta lagret. När du försöker passa in de större lådorna i utrymmet för en mindre låda, det skapar en enorm påfrestning, " sa Argonne-fysikern Byeongdu Lee.

Medan gittermissanpassningen bara är bråkdelar av en nanometer, effekten ackumuleras när lager efter lager av guld bildas på platina. Missmatchningen kan hanteras av de två första lagren av guldatomer – som skapar kärna-skal-effekten – men efteråt visar det sig vara för mycket att övervinna. "Arrangemanget av atomer är detsamma i de två materialen, men avståndet mellan atomerna är olika, " sa Argonne postdoktor snart Gu Kwon. "Så småningom, detta blir instabilt, och guldets tillväxt blir ojämnt fördelad."

När guldet fortsätter att samlas på ena sidan av frönanopartikeln, små mängder "glider" ner på sidan av nanopartikeln som sandkorn som rullar nedför sidan av en sandkulle, skapa hantelformen.

Fördelen med Argonne-studien kommer från forskarnas förmåga att utföra observationer på plats av materialet under realistiska förhållanden med hjälp av APS. "Detta är första gången någon har kunnat studera kinetiken för denna heterogena kärnbildningsprocess av nanopartiklar i realtid under realistiska förhållanden, ", sa Argonne-fysikern Byeongdu Lee. "Kombinationen av två röntgentekniker gav oss möjligheten att observera materialet på både atomnivå och nanoskala, vilket gav oss en bra bild av hur nanopartiklarna bildas och transformeras." Alla slutsatser som gjorts baserade på röntgenstudierna bekräftades ytterligare med hjälp av atomupplösningsmikroskopi i gruppen av professor Robert Klie vid University of Illinois i Chicago.

Denna analys av nanopartikelbildning kommer att bidra till att lägga grunden för bildandet av nya material med olika och kontrollerbara egenskaper, enligt Shevchenko. "För att designa material, du måste förstå hur dessa processer sker på en mycket grundläggande nivå, " Hon sa.

Forskningen finansierades delvis av National Science Foundation och University of Illinois vid Chicago Research Resources Center.

En artikel baserad på forskningen, "Heterogen kärnbildning och formomvandling av multikomponent metalliska nanostrukturer, " dök upp i onlinenumret den 2 november av Naturmaterial .