Ett team av forskare från University of Leicester och Frankrikes G2ELab-CNRS i Grenoble har för första gången observerat tillväxten av fria nanopartiklar i heliumgas i en process som liknar koffeinfri kaffe, ger ny inblick i nanopartiklarnas struktur.

Nanopartiklar har en mycket stor ytarea jämfört med deras volym och kan ofta reagera mycket snabbt. Detta gör dem användbara som katalysatorer i kemiska reaktioner och de används ofta i sportutrustning, kläder och solskyddsmedel.

I ett papper publicerat av Journal of Physical Chemistry Letters och finansieras av Royal Society, Leverhulme Trust, British Council och CONACYT, teamen från University of Leicesters avdelning för fysik och astronomi och CNRS i Grenoble mätte hur heliumjoner samlas med neutrala heliumatomer och växer till nanopartiklar.

Under studien undersökte de hur heliumjoner driver genom en cell fylld med heliumatomer. När trycket på helium ökade observerade forskarna en minskning av jonernas rörlighet.

Dr Klaus von Haeften från University of Leicesters institution för fysik och astronomi, som har fått en gästprofessur från universitetet Joseph Fourier, sade:"Vi drog slutsatsen att det ökade trycket tvingade fler och fler heliumatomer att gradvis binda till jonerna, tills klustren växte till partiklar i nanometerstorlek. Denna process fortsatte tills nanopartiklarna nådde den maximala storleken som också berodde på temperaturen.

"Ytterligare tryckökning visade sig minska storleken, som vi tolkade som komprimering. Dessa storleksändringar kunde sedan följas i detalj. För låga och måttliga tryck förändrades storleken ganska snabbt medan förändringarna i högtrycksområdet var långsamma. "

Genom att analysera hur snabbt partikelvolymen förändrades med tryck kunde forskarna undersöka nanopartiklarnas struktur.

Nelly Bonifaci från G2ELab-CNRS sa:"Vid lågt och måttligt tryck var nanopartiklarna mycket mjukare än fast helium och vi drog slutsatsen att de måste vara flytande. Vid höga tryck blev de successivt hårdare och så småningom fasta."

Dr von Haeften tillade:"Genom att välja helium kunde vi studera ett system med största möjliga renhet och våra resultat är därför mycket exakta. Liknande processer sker vid koffeinfrihet av kaffe i högtrycks koldioxid, inom kemtvätt och kemisk tillverkning. I alla dessa processer växer nanopartiklar. Genom att veta deras storlek kan vi mycket bättre förstå dessa processer och förbättra dem. "

Detta är första gången som forskare har kunnat observera tillväxten av fria nanopartiklar i ett stort tryck i gasformigt helium.

Frédéric Aitken från G2ELab-CNRS tillade:"Vårt arbete är ett viktigt riktmärke för forskningen om bildning och storlek av nanopartiklar."