Kemister vid Rice University och University of Duisburg-Essen, Tyskland kvantifierade frisättningen av silverjoner från guld-silver nanopartikellegeringar. Överst, Transmissionselektronmikroskopbilder visar förändringen i färg när silver (i blått) läcker ut ur en nanopartikel under flera timmar, lämnar guldatomer efter sig. De nedre hyperspektrala bilderna visar hur mycket en nanopartikel av silver och guld krympte under fyra timmar när silvret lakade bort. Kredit:Rice University
Det finns guld i dem än nanopartiklar, och det var förr mycket silver, för. Men mycket av silvret har läckt bort, och forskare vill veta hur.
Guld-silverlegeringar är användbara katalysatorer som bryter ned miljöföroreningar, underlätta produktionen av plast och kemikalier och döda bakterier på ytor, bland andra applikationer. I nanopartikelform, dessa legeringar kan vara användbara som optiska sensorer eller för att katalysera väteutvecklingsreaktioner.
Men det finns ett problem:Silver stannar inte alltid kvar.
En ny studie av forskare vid Rice University och University of Duisburg-Essen, Tyskland, avslöjar en tvåstegsmekanism bakom silverförlusten, en upptäckt som kan hjälpa industrin att finjustera nanopartikellegeringar för specifika användningsområden.
Teamet ledd av Rice-kemisterna Christy Landes och Stephan Link och doktoranden Alexander Al-Zubeidi och Duisburg-Essen-kemisten Stephan Barcikowski använde sofistikerad mikroskopi för att visa hur guld kan behålla tillräckligt med silver för att stabilisera nanopartikeln.
Deras studie visas i tidskriften American Chemical Society ACS Nano .
Forskarna använde ett hyperspektralt mörkfältsmikroskop för att studera guld-silverlegerade nanopartiklar som innehåller ett överskott av silver i en sur lösning. Tekniken tillät dem att trigga plasmoner, krusningar av energi som flödar över ytan av partiklar när de tänds. Dessa plasmoner sprider ljus som förändras med legeringens sammansättning.
"Plasmonens beroende av legeringssammansättningen gjorde det möjligt för oss att registrera silverjons urlakningskinetik i realtid, sa Al-Zubeidi, huvudförfattare till studien.
Al-Zubeidi noterade filmer av guld och silverlegering har använts i decennier, ofta som antibakteriella beläggningar, eftersom silverjoner är giftiga för bakterier. "Jag tror att silverfrigöringsmekanismen har antytts från studier av legeringsfilmer, men det har aldrig bevisats på ett kvantitativt sätt, " han sa.
Initialt, silverjoner läcker snabbt från nanopartiklar, som bokstavligen krymper som ett resultat. När processen fortsätter, guldgallret släpper i de flesta fall allt silver över tiden, men cirka 25 % av partiklarna beter sig annorlunda och silverurlakning är ofullständig.
Al-Zubeidi sa att vad de observerade tyder på att guld kan manipuleras för att stabilisera legeringsnanopartiklarna.
"Vanligtvis skulle silverurlakning vara ungefär två timmar under våra förhållanden, " sa han. "Så i det andra steget, reaktionen sker inte längre på ytan. Istället, när guldgallret omarrangeras, silverjonerna måste diffundera genom detta guldrika galler för att nå ytan, där de kan oxideras. Det sänker reaktionshastigheten mycket.
"Vid något tillfälle, partiklarna passiveras och ingen mer urlakning kan ske, " Al-Zubeidi sa. "Partiklarna blir stabila. Än så länge, vi har bara tittat på partiklar med en silverhalt på 80%-90%, och vi fann att många av partiklarna slutar läcka silver när de når en silverhalt på cirka 50 %.
"Det kan vara en intressant sammansättning för applikationer som katalys och elektrokatalys, " sa han. "Vi skulle vilja hitta en sweet spot runt 50 %, där partiklarna är stabila men fortfarande har många av sina silverliknande egenskaper."
Att förstå sådana reaktioner kan hjälpa forskare att bygga ett bibliotek av guld-silver-katalysatorer och elektrokatalysatorer för olika tillämpningar.
Link sa att Rice-teamet välkomnade möjligheten att arbeta med Barcikowski, ledande inom området för nanopartikelsyntes via laserablation. "Detta gör det möjligt att skapa legerade nanopartiklar med olika sammansättningar och fria från stabiliserande ligander, " han sa.
"Från vår ända, vi hade den perfekta tekniken för att studera processen för silverjonläckage från många enkellegerade nanopartiklar parallellt via hyperspektral avbildning, " tillade Landes. "Endast en enpartikeltillvägagångssätt kunde lösa intra- och interpartikelgeometrin."
"Denna ansträngning kommer att möjliggöra ett nytt tillvägagångssätt för att generera nanostrukturerade katalysatorer och nya material med unika elektrokemiska, optiska och elektroniska egenskaper, sa Robert Mantz, programledare för elektrokemi på Arméns forskningskontor, en del av U.S. Army Combat Capabilities Commands Army Research Laboratory. "Förmågan att skräddarsy katalysatorer är viktig för att uppnå målet att minska soldatburen vikt i samband med kraftlagring och generering och möjliggöra ny materialsyntes."
