Forskare från Ryssland och Kina upptäckte en mängd nya och oväntade nanopartiklar och hittade ett sätt att kontrollera deras sammansättning och egenskaper – fynden bryter ny mark i användningen av nanopartiklar. Resultaten av deras studie publicerades i Fysikalisk kemi Kemisk fysik.

Mikroobjekt som nanopartiklar kan skilja sig från makroobjekt (kristaller, glas) när det gäller kemisk sammansättning och egenskaper. De två pelarna som nanoteknologin vilar på är den stora mångfalden av egenskaper som uppvisas av nanopartiklar av samma material men av varierande storlek, och förmågan att kontrollera deras egenskaper. Dock, både experimentell och teoretisk forskning om nanopartiklars struktur och sammansättning ställer till stora svårigheter.

Med hjälp av USPEX evolutionära algoritm utvecklad av Artem R. Oganov, professor vid Skoltech och MIPT, forskare från Kina och Ryssland studerade ett brett spektrum av nanopartikelsammansättningar, och i synnerhet, undersökte två klasser av nanopartiklar som är nödvändiga för katalys:järn-syre och cerium-syre. De upptäckte att de så kallade "magiska nanopartiklarna" som uppvisar ökad stabilitet kan ha oväntade kemiska sammansättningar, till exempel, Fe ₆ O ₄ , Fe ₂ O ₆ , Fe ₄ O ₁₄ , Ce ₅ O ₆ , och Ce ₃ O ₁₂ . Syrerika nanopartiklar, såsom Fe ₄ O ₁₄ , stabil vid normala förhållanden, kan förklara cancerogeniciteten hos oxidnanopartiklar. Forskare har kvantitativt undersökt hur kompositionerna varierar genom att ändra temperaturen eller partialtrycket av syre.

"Stabila nanokluster kan ha konstiga och oväntade kemiska sammansättningar (till exempel, Si ₄ O ₁₈ eller Ce ₃ O ₁₂ ) under normala förhållanden, medan det för kristaller vanligtvis finns vid extrema förhållanden, som högt tryck, " säger Xiaohu Yu, den första författaren till detta verk, Docent vid Shaanxi University of Technology och tidigare medlem av Oganov-labbet i MIPT.

"Det faktum att nanopartiklar har praktiskt taget samma åsar, öar av stabilitet och hav av instabilitet som atomkärnor kom som en överraskning i denna studie. Både atomkärnan och nanopartikeln kan beskrivas som ett kluster av två typer av partiklar, till exempel, järn och syre i vårt fall, eller protoner och neutroner i fallet med atomkärnor. Om du ritar en karta och plottar numren för varje sorts atomer i klustret längs dess axlar, du kommer att se att majoriteten av stabila kluster bildar smala åsar av stabilitet. Du kommer också att upptäcka öar av stabilitet som är ganska nyfikna ur kemisk synvinkel. Det är ganska tänkbart att stabila nanopartiklar fungerar som elementära byggstenar i kristalltillväxt – det ämne som jag har varit förtjust i sedan min skoltid. När det gäller stabilitetens öar, de stora bidragsgivarna till deras studie var våra kända akademiker Flerov och Oganesyan som jag drömde om att arbeta med när jag var liten, " sa Oganov.