Nanopartiklar är supersmå - så små som en nanometer, eller en miljarddels meter - och är av stort intresse för materialforskare för deras unika fysikaliska och kemiska egenskaper. De kan inte upptäckas med blotta ögat och kräver ett mycket specialiserat elektronmikroskop för att ses.
Faktum är att framsteg inom bildteknik under 1990-talet och början av 2000-talet är det som gjorde området för nanovetenskap möjligt, säger Anne Bentley, en fakultetsmedlem vid Institutionen för kemi vid Lewis &Clark College i Portland, Oregon.
"Jag tror att mycket kemi ligger utanför sfären av vad människor kan hålla i sina händer", säger hon. "Du kan få bevis om vad som händer, men du undersöker fortfarande något som är för liten för att dina ögon kan se. Allt du kan göra för att skala upp det är till hjälp."
Så Bentley gjorde just det och skapade 3D-modeller av de enklaste geometriska formerna som nanopartiklar bildar. Hon har gjort instruktionerna för att skapa dessa modeller, antingen med papper eller 3D-utskriftsmaterial, tillgängliga som en del av en artikel som hon var medförfattare till, publicerad i Journal of Chemical Education , kallad "A Primer on Lattice Planes, Crystal Facets, and Nanoparticle Shape Control."
Nanopartiklar finns i olika geometriska former och är kristallina eller sammansatta av atomer ordnade i ett mönster som upprepas i tre dimensioner. Formerna visar plana ytor, kallade plan eller facetter, liknande snitten i en ädelsten. Arrangemanget av atomer på dessa kristallytor påverkar materialets speciella egenskaper, säger Bentley.
"Formerna härrör från denna packning av atomerna", säger hon. "Motivationen att göra olika former beror egentligen på atomernas arrangemang när materialet skivas på olika sätt på olika kristallplan."
I tidningen fokuserar Bentley på lågindexformer, som hon beskriver som de tre enklaste sätten att skära strukturen.
"Det finns många mer komplexa sätt att skära det, men det här är de tre grundläggande sätten att göra det, genom att göra dem till antingen sex, åtta eller tolv sidor - kuber, oktaedrar eller rombiska dodekaedrar. Det var ett naturligt val att fokusera på dessa tre för artikeln."
"Nanovetenskap är ett ämne som både faller mellan kemi och fysik i läroplanen, men också mellan forskning på grund- och forskarnivå", säger Bentley.
"Det är viktigt att nybörjarmaterialkemister har en grundläggande förståelse för kristallplan, fasetter och tillväxtriktningar. De måste också förstå det tresiffriga notationssystem som används för att indexera dessa attribut, kända som Miller-indexen. Annars kan detta system ser ut som ett mystiskt virrvarr av siffror."
Hon ansåg att det var viktigt att tillhandahålla en grund av kunskap i ett tillgängligt format som kunde hjälpa utbildare att introducera detta viktiga och växande område. Medan mer komplexa strukturer än de 3D-printade modellerna kan skapas digitalt via datorsimuleringsprogram, menar Bentley att det finns fördelar med att kunna hålla modellerna i dina händer.
"Jag gillar saker jag kan titta på och tänka på", säger hon och tillägger att 3D-modeller är särskilt användbara för att skapa förståelse för detta viktiga nanovetenskapliga ämne.
Odla guldpartiklar för att omvandla koldioxid
I Bentleys labb arbetar hon och eleverna med att manipulera guldatomer i flaskor med vätska för att kontrollera nanopartikelformerna.
"Du behöver bara skapa de rätta förhållandena vid rätt temperaturer, en hel miljö som bidrar till att odla en viss form", säger hon.
Bentley studerar guldnanopartiklar, som är kända för sina katalytiska egenskaper eller förmåga att påskynda kemiska reaktioner. Sättet som materialet är skivat avslöjar olika mönster av atomer, förklarar hon. Tidigare forskning har identifierat att en viss guld-nanopartikelform, den 12-sidiga rombiska dodekaedran, är mer effektiv för att omvandla koldioxid till bränslematerial.
"Det är som att återvinna", säger Bentley. "Inte bara gör den här nanopartikelformen det möjligt för forskare att ta bort koldioxid från atmosfären, utan det gör det möjligt för dem att förvandla den tillbaka till något slags bränsle som kan användas. Så om vi kan odla partiklar som bara har den här aspekten på sig, så är det en verklig fördel."
Mer information: Anne K. Bentley et al, A Primer on Lattice Planes, Crystal Facets, and Nanoparticle Shape Control, Journal of Chemical Education (2023). DOI:10.1021/acs.jchemed.3c00371
Journalinformation: Journal of Chemical Education
Tillhandahålls av Lewis &Clark College
