Forskare har publicerat den första delen av vad de förväntar sig vara en databas som visar kinetiken som är involverad i att producera kolloidala metall -nanokristaller - som är lämpliga för katalytiska, biomedicinsk, fotoniska och elektroniska applikationer - genom en autokatalytisk mekanism.

I den lösningsbaserade processen, prekursorkemikalier adsorberas till nanokristallfrön innan de reduceras till atomer som driver nanokristallernas tillväxt. Kinetikdata baseras på noggranna systematiska studier som gjorts för att bestämma tillväxttakt på olika nanokristallfasetter - ytstrukturer som styr hur kristallerna växer genom att locka till sig individuella atomer.

I en artikel publicerad 11 december i tidningen Förfaranden från National Academy of Sciences , ett forskargrupp från Georgia Institute of Technology gav en kvantitativ bild av hur ytförhållandena styrde tillväxten av palladium -nanokristaller. Arbetet, som senare kommer att innehålla information om nanokristaller gjorda av andra ädelmetaller, stöds av National Science Foundation.

"Detta är en grundläggande studie av hur katalytiska nanokristaller växer från små frön, och många människor som arbetar inom detta område skulle kunna dra nytta av det systematiska, kvantitativ information vi har utvecklat, "sa Younan Xia, professor och Brock Family Chair vid Wallace H. Coulter Institutionen för biomedicinsk teknik vid Georgia Tech och Emory University. "Vi förväntar oss att detta arbete kommer att hjälpa forskare att kontrollera morfologin hos nanokristaller som behövs för många olika tillämpningar."

En kritisk faktor som styr hur nanokristaller växer från små frön är ytanergin hos de kristallina fasetterna på fröna. Forskare har vetat att energibarriärer dikterar ytattraktionen för föregångare i lösning, men specifik information om energibarriären för varje typ av fasett hade inte varit lätt tillgänglig.

"Vanligtvis, ytan på fröna som används för att odla dessa nanokristaller har inte varit homogen, "förklarade Xia, som också är Georgia Research Alliance Eminent Scholar i Nanomedicine och har gemensamma möten i School of Chemistry &Biochemistry och School of Chemical &Biomolecular Engineering. "Du kan ha olika aspekter på kristallerna, som beror på arrangemanget av atomerna under dem. Ur prekursorer i lösningen runt fröna, dessa ytor har olika aktiveringsenergier som avgör hur svårt det kommer att vara för föregångarna eller atomerna att landa på varje yta. "

Xia forskargrupp utformade experiment för att bedöma energibarriären på olika aspekter, med hjälp av frön i en mängd olika storlekar och ytkonfigurationer valda för att bara ha en typ av fasett. Forskarna mätte både tillväxten av nanokristaller i lösning och förändringen i koncentrationen av palladiumtetrabromid (PdBr4 2-) prekursorsalt.

"Genom att välja rätt föregångare, vi kan se till att all minskning vi mäter finns på ytan och inte i lösningen, "förklarade han." Det gjorde att vi kunde göra meningsfulla mätningar om tillväxten, som styrs av typen av fasett, liksom närvaron av en tvillinggräns, motsvarande distinkta tillväxtmönster och slutresultat. "

Under nästan ett år, gästforskningsassistent Tung-Han Yang studerade nanokristalltillväxten med olika typer av frön. I stället för att tillåta nanokristalltillväxt från självkärnbildning, Xia team valde att studera tillväxt från frön så att de kunde kontrollera de ursprungliga förhållandena.

Att kontrollera nanokristallernas form är avgörande för tillämpningar inom katalys, fotonik, elektronik och medicin. Eftersom dessa ädelmetaller är dyra, minimering av den mängd material som behövs för katalytiska tillämpningar hjälper till att kontrollera kostnaderna.

"När du katalyserar med dessa material, du vill se till att nanokristaller är så små som möjligt och att alla atomer utsätts för ytan, "sa Xia." Om de inte är på ytan, de kommer inte att bidra till aktiviteten och kommer därför att gå till spillo. "

Det slutliga målet med forskningen är en databas som forskare kan använda för att styra tillväxten av nanokristaller med specifika storlekar, former och katalytisk aktivitet. Bortom palladium, forskarna planerar att publicera resultaten av kinetiska studier för guld, silver, platina, rodium och andra nanokristaller. Även om energibarriärernas mönster sannolikt kommer att vara olika för varje, det kommer att finnas likheter i hur energibarriären styr tillväxten, Sa Xia.

"Det är verkligen hur atomerna är arrangerade på ytan som bestämmer ytenergin, "förklarade han." Beroende på vilka metaller som är inblandade, de exakta siffrorna kommer att vara annorlunda, men förhållandena mellan facettyperna bör vara mer eller mindre desamma. "

Xia hoppas att arbetet i hans forskargrupp kommer att leda till en bättre förståelse för hur den autokatalytiska processen fungerar vid syntesen av dessa nanomaterial, och i slutändan till bredare applikationer.

"Om du vill kontrollera morfologin och egenskaperna, du behöver denna information så att du kan välja rätt föregångare och reduktionsmedel, "sa Xia." Denna systematiska studie kommer att leda till en databas om dessa material. Det här är bara början på vad vi planerar att göra. "