Forskare vid ETH har lyckats framställa nanokristaller gjorda av två olika metaller med hjälp av en amalgameringsprocess där en flytande metall penetrerar en fast metall. Denna nya och förvånansvärt intuitiva teknik gör det möjligt att producera ett stort utbud av intermetalliska nanokristaller med skräddarsydda egenskaper för olika applikationer.

Nanokristaller är nanometerstora sfärer som består av regelbundet arrangerade atomer. På grund av deras fördelaktiga egenskaper, de är på frammarsch inom flera tekniker. Halvledar nanokristaller, till exempel, används i den nya generationens tv-skärmar. På senare tid, så kallade intermetalliska nanokristaller, där två olika metaller kombineras för att bilda ett kristallgitter, har gjort sig ett namn då de lovar förbättrade och unika applikationer. Dessa applikationer sträcker sig från katalys till datalagring och medicin.

I teorin, det finns tiotusentals möjliga kombinationer av metaller som kan utgöra sådana nanokristaller, med ett motsvarande stort antal olika materialegenskaper. Än så länge, dock, det har bara varit möjligt att göra nanokristaller av ett fåtal sådana parningar. Ett team av forskare vid ETH Zürich ledd av Maksym Yarema och Vanessa Wood vid Institute for Electronics har nu utvecklat en ny teknik som, i princip, gör att man kan realisera nästan alla möjliga kombinationer av intermetalliska nanokristaller. Deras resultat publicerades nyligen i den vetenskapliga tidskriften Vetenskapens framsteg .

Överraskande intuitiv metod

"Vår metod är enkel och intuitiv – så intuitiv, faktiskt, att vi blev förvånade över att ingen hade haft den här idén före oss, " säger Yarema. I konventionella procedurer för att producera nanokristaller gjorda av en enda metall, metallatomerna införs i molekylär form, till exempel som salter, till en lösning där nanokristallerna sedan bildas. "Teoretiskt kan det också göras med två olika metaller, men i praktiken är det svårt, eller till och med omöjligt, att kombinera distinkt olika metaller i reaktorn, " förklarar Yarema. Därför ETH-forskarna tillgrep en procedur som har använts i århundraden:sammanslagning, en speciell typ av smältning eller blandning av metaller.

Flytande metaller

Amalgamer är särskilt välkända från tandvården, där de används som fyllnadsmaterial, och även från guldbrytning. I båda fallen, flytande kvicksilver tillsätts för att lösa upp andra metaller (för tandfyllningar, en blandning av koppar, zink och silver). Dock, sammanslagning fungerar också med vilken annan flytande metall som helst. Förutom kvicksilver, som är flytande även vid rumstemperatur, det finns ett antal metaller med relativt låga smältpunkter, såsom gallium (30 grader Celsius), indium (157 grader) eller tenn (232 grader).

Sammanslagningsmetod för nanokristaller

Yarema och hans kollegor använder sammanslagningsmetoden på nanoskala. Reaktionen börjar med dispergering av nanokristaller som innehåller en enda metall, till exempel silver. Sedan, atomerna i den andra metallen - säg, gallium - tillsätts i molekylär form (i detta fall som amider, en förening av kol, väte, och kväve), medan blandningen värms upp till cirka 300 grader.

Initialt, den höga temperaturen gör att de kemiska bindningarna i galliumamiden bryts upp, tillåta flytande gallium att ackumuleras på silvernanokristallerna. Nu, den faktiska sammanslagningsprocessen börjar, under vilken flytande gallium kryper in i det fasta silvret. Med tiden bildas ett nytt kristallgitter, i vilka så småningom silver- och galliumatomer regelbundet ordnas. Sedan kyls allt ner igen, och efter tio minuter är nanokristallerna klara. "Vi är förvånade över hur effektiv sammanslagningen är på nanoskala. Att ha en flytande metallkomponent är nyckeln till snabb och enhetlig legering inom varje nanokristall, säger Yarema.

Kontrollerbar process

Med samma teknik, forskarna har redan producerat olika intermetalliska nanokristaller som guld-gallium, koppar-gallium och palladium-zink. Själva sammanslagningsprocessen kan styras exakt. Genom antalet sekundära atomer, införs i lösningen som amider, andelen metaller i nanokristallerna kan kontrolleras noggrant. Ta exemplet med guld-gallium (kemiska symboler Au och Ga), forskarna har visat att på detta sätt kan nanokristaller med mycket olika proportioner framställas, som 1:2 (AuGa ₂ ), 1:1 (AuGa) eller 7:2 (Au ₇ Ga ₂ ). Storleken på de slutliga intermetalliska nanokristallerna kan också förutsägas exakt från storleken på de initiala nanokristallerna och ökningen i storlek på grund av den andra metallen.

Skräddarsydda nanokristaller för applikationer

Forskarna räknar med stor potential för tekniska tillämpningar på grund av den exakta kontrollerbarheten av nanokristallernas sammansättning och storlek samt möjligheten att kombinera metallerna nästan efter behag. "Eftersom sammanslagningssyntesen av nanokristaller möjliggör så många nya kompositioner, vi kan inte vänta med att se dem arbeta i förbättrad katalys, plasmoniska eller litiumjonbatterier, " säger Yarema. Katalysatorer gjorda av nanokristaller, till exempel, kan skräddarsys och optimeras exakt för en viss kemisk process som de ska påskynda.