Gör ett jättehopp i nanovetenskapens "lilla" område, ett multinstitutionellt team av forskare är de första som skapar nanoskala partiklar som består av upp till åtta olika element som allmänt är kända för att vara oblandbara, eller oförmögna att blandas eller blandas ihop. Blandningen av flera, omblandbara element till en enhetlig, homogen nanostruktur, kallad en nanopartikel med hög entropi -legering, utökar landskapet för nanomaterial kraftigt - och vad vi kan göra med dem.

Denna forskning gör betydande framsteg mot tidigare insatser som vanligtvis har producerat nanopartiklar begränsade till endast tre olika element och till strukturer som inte blandas jämnt. Väsentligen, det är extremt svårt att pressa och blanda olika element i enskilda partiklar på nanoskala. Laget, som inkluderar ledande forskare vid University of Maryland, College Park (UMD) A. James Clark School of Engineering, publicerade ett peer-reviewed papper baserat på forskningen på 30 mars omslag av Vetenskap .

"Tänk dig de element som kombineras för att göra nanopartiklar som Lego -byggstenar. Om du bara har en till tre färger och storlekar, då är du begränsad av vilka kombinationer du kan använda och vilka strukturer du kan montera, "förklarar Liangbing Hu, docent i materialvetenskap och teknik vid UMD och en av motsvarande författare till uppsatsen. "Det vårt team har gjort är att förstora leksaksbröstet i nanopartikelsyntes; nu, vi kan bygga nanomaterial med nästan alla metalliska och halvledarelement. "

Forskarna säger att detta framsteg inom nanovetenskap öppnar stora möjligheter för ett brett spektrum av applikationer som inkluderar katalys (accelerationen av en kemisk reaktion med en katalysator), energilagring (batterier eller superkondensatorer), och bio/plasmonisk avbildning, bland andra.

För att skapa nanopartiklar med hög entropi -legering, forskarna använde en tvåstegsmetod för blixtuppvärmning följt av blixtkylning. Metalliska element som platina, nickel, järn, kobolt, guld, koppar, och andra utsattes för en snabb termisk chock på cirka 3, 000 grader Fahrenheit, eller ungefär hälften av solens temperatur, i 0,055 sekunder. Den extremt höga temperaturen resulterade i enhetliga blandningar av de flera elementen. Den efterföljande snabbkylningen (mer än 100, 000 grader Fahrenheit per sekund) stabiliserade de nyblandade elementen till det enhetliga nanomaterialet.

"Vår metod är enkel, men en som ingen annan har tillämpat på skapandet av nanopartiklar. Genom att använda en fysikalisk metod, snarare än en traditionell kemi, vi har åstadkommit något utan motstycke, "säger Yonggang Yao, en doktorsexamen student vid UMD och en av huvudförfattarna till uppsatsen.

För att demonstrera en potentiell användning av nanopartiklar, forskargruppen använde dem som avancerade katalysatorer för ammoniakoxidation, vilket är ett viktigt steg i produktionen av salpetersyra (en flytande syra som används vid produktion av ammoniumnitrat för gödningsmedel, gör plast, och vid tillverkning av färgämnen). De kunde uppnå 100 procent oxidation av ammoniak och 99 procent selektivitet mot önskade produkter med nanopartiklarna med hög entropi -legering, bevisar deras förmåga som mycket effektiva katalysatorer.

Yao säger att en annan potentiell användning av nanopartiklarna som katalysatorer kan vara generering av kemikalier eller bränslen från koldioxid.

"De potentiella tillämpningarna för nanopartiklar med hög entropi-legering är inte begränsade till katalysområdet. Med tvärvetenskaplig nyfikenhet, de demonstrerade tillämpningarna av dessa partiklar kommer att bli ännu mer utbredda, "säger Steven D. Lacey, en doktorsexamen student vid UMD och även en av huvudförfattarna till uppsatsen.

Denna forskning utfördes genom ett multinstitutionellt samarbete mellan Prof. Liangbing Hu's grupp vid University of Maryland, College Park; Prof. Reza Shahbazian-Yassars grupp vid University of Illinois i Chicago; Prof. Ju Li's grupp vid Massachusetts Institute of Technology; Prof. Chao Wangs grupp vid Johns Hopkins University; och Michael Zachariahs grupp vid University of Maryland, College Park.

"Det här är ganska fantastiskt; Dr. Hu kom kreativt på denna kraftfulla teknik, karbo-termisk chocksyntes, att producera legeringar med hög entropi med upp till åtta olika element i en enda nanopartikel. Detta är verkligen otänkbart för syntes av bulkmaterial. Detta är ännu ett vackert exempel på nanovetenskap !, "säger Peidong Yang, S.K. och Angela Chan Distinguished Professor of Energy och professor i kemi vid University of California, Berkeley och medlem av American Academy of Arts and Sciences.

"Denna upptäckt öppnar många nya riktningar. Det finns simuleringsmöjligheter för att förstå den elektroniska strukturen för de olika kompositionerna och faserna som är viktiga för nästa generations katalysatordesign. Dessutom, hitta korrelationer mellan syntesvägar, sammansättning, och fasstruktur och prestanda möjliggör ett paradigmskifte mot guidad syntes, "säger George Crabtree, Argonne Distinguished Fellow och chef för Joint Center for Energy Storage Research vid Argonne National Laboratory.