Flytande metall, planetliknande nanodroppar har framgångsrikt formats med en ny teknik utvecklad vid RMIT University, Australien. Liksom vår egen planet Jorden har nanodroppar en yttre "skorpa", en flytande metall "mantel" och en fast "kärna".
Den fasta intermetalliska kärnan är nyckeln till att uppnå en mer homogen blandning, som "låser" samma mängd löst ämne (dvs. "målmetallerna") i varje legerad droppe.
Forskargruppen uppnådde homogenitet genom fullständig upplösning i flytande metallmedier, möjliggjort av högtemperatursmälta salt. Deras artikel, "Synthesis of planet-like flytande metall nanodroppar med lovande egenskaper för katalys", publicerades i Advanced Functional Materials i juli 2023.
Upptäckten skapar nya forskningsmöjligheter inom grundläggande vätskemetallkemi såväl som så olika tillämpningar som flexibel elektronik, fasförändringsmaterial, katalysatorer och bränsleceller och silverbaserade antimikrobiella medel.
Flytande metaller har dykt upp som en lovande ny frontlinje för kemisk forskning under de senaste åren, och fungerar som ett nytt reaktionsgränssnitt för lösningsmedel och katalysatorer.
De kan också fungera som ett funktionellt material som erbjuder hög ledningsförmåga på grund av delokaliserade metallbindningar och en mjuk, flytande insida.
Med framväxande katalys, avkänning och nano-elektroniska tillämpningar som förlitar sig på att uppnå stora ytareor, har syntes av flytande metall nanodroppar blivit ett viktigt fokus.
Det finns många kombinationer möjliga vid legering för specifika tillämpningar, till exempel upplösning av koppar (det lösta ämnet) i flytande gallium (det metalliska lösningsmedlet).
Nanodroppar av flytande metall skapas genom mekanisk omrörning med hjälp av ljudvågor i ett lösningsmedel som etanol eller vatten.
Emellertid, under denna "sonikering"-process, har flytande metallegeringar tenderat att "avlegera", det vill säga att brytas isär till sina beståndsdelar av metaller.
Detta är ett resultat av tidigare metoder som försökte lösa upp metallerna vid relativt låga temperaturer, nära rumstemperatur. "Precis som det är möjligt att lösa mer socker i varmt vatten än i kallt vatten, kan mer koppar lösas i varmare gallium", säger huvudförfattaren Caiden Parker, en Ph.D. kandidat vid RMIT.
Vid låga temperaturer omformas en del av den lösta metallen till större, fasta partiklar innan fullständig upplösning.
Den resulterande sammansättningen har inkonsekventa, inhomogena egenskaper, med sammansättningen av individuella nanodroppar som varierar avsevärt. "I extrema fall kan många eller till och med de flesta nanodroppar i huvudsak sakna den lösta metallen, som i slutändan koncentreras i endast mycket få partiklar", säger motsvarande författare Dr. Torben Daeneke, även han vid RMIT.
Denna inhomogenitet och närvaron av intermetalliska föreningar utgör avsevärda svårigheter för forskare som vill förstå de grundläggande mekanismerna som fungerar inom flytande metallkemi.
I den nya studien löste RMIT-forskare problemet med avlegering genom att avsevärt värma syntesprocessen (så högt som 400°C) för att säkerställa att den lösta metallen är helt upplöst och införa en noggrant utvald smält-saltsuspensionsvätska.
Natriumacetat valdes eftersom det förblir stabilt vid hög temperatur och lätt kan tas bort efteråt.
De resulterande nanodroppar har en intressant planetliknande struktur som består av ett yttre (oxid) skal, en flytande (metall) mantel och en suspenderad, solid central kärna (intermetallisk).
"Vi slogs omedelbart av nanodroppars likhet med en jordliknande planet, med ett fast yttre skal, en flytande metallmantel och en solid metallkärna", säger Caiden.
Den fasta kärnan är nyckeln till framgången för den nya tekniken, som "låser" samma mängd löst ämne i varje legerad droppe.
"Vi var också glada över att se att våra nya metalliska planetliknande nanodroppar fanns överallt", fortsätter Caiden.
Systemet var homogent utspritt, med avsevärt förbättrat utbyte. Transmission Electron Microscope (TEM)-analys bekräftade att kärnstrukturen observeras i nästan varje droppe.
Närvaron av den fasta kärnan främjar också en mycket intressant användning av planetliknande nanodroppar i katalytiska reaktioner, vilket påskyndar kemiska reaktioner.
De studerade koppar-gallium nanodroppar gav lovande resultat i elektrokatalytisk oxidation av etanol, som skulle kunna appliceras i etanolbränsleceller.
Avlägsnande av natriumacetat är viktigt före denna katalytiska reaktion, med saltet som lätt kan rengöras bort i enkla vattenbad.
Den lovande nya tekniken öppnar upp för den potentiella användningen av nanodroppar med stor yta i en lång rad framtida tillämpningar, inklusive, men inte begränsat till, elektronik eller katalytiska material.
Den fysiska skalan av nanodroppar (dvs. nano snarare än mikro) kommer också att hjälpa grundläggande studier av flytande metallkemi, inklusive att undersöka den exakta karaktären av bindningsbildning inom flytande metaller, solvatiseringsförmåga, kristallisationsdynamik och den allmänna kolloidala kemin som kan förekommer inom olika smälta metallsystem.
"De planetliknande strukturerna är som små miniatyrlaboratorier, vilket gör att vi kan studera hur smälta metaller beter sig på atomnivå", säger Torben.
Medan studien bevisade användbarheten av den nya tekniken med ett koppar-gallium-system, förväntar sig författarna ytterligare arbete för att bekräfta att tekniken kommer att vara framgångsrik med andra kombinationer av lösta ämnen och lösningsmedelslegeringssystem, som börjar med silver, zink eller vismut i flytande gallium , tenn eller indium.
"En viktig fördel med flytande metallsystem är möjligheten att justera metallblandningen för vissa applikationer, beroende på egenskaperna hos de ingående metallerna", säger Caiden.
"Till exempel är koppar en fantastisk elektrisk ledare. När vi kombinerar koppar med gallium sparar vi inte bara betydande kostnader i materialförbrukning, utan öppnar också vägen för flexibel elektronik, som det du kanske har sett i sci-fi-filmer. "
Potentiellt kan koppar också användas för sina termiska egenskaper, med potentiell tillämpning av kopparbaserade nanodroppar i värmeavledningssystem.
Nanodroplet-katalysapplikationer baserade på koppars förmåga att påskynda reaktioner har redan testats i den nya studien, med förbättrad area på aktiva ställen utöver materialsyntesbesparingar.
Om man tittar på en annan metall har silver tidigare hittat tillämpningar baserat på dess antimikrobiella egenskaper, och när det väl kombineras med gallium kan det skapa ett mer biotillgängligt alternativ.
"Därför är de potentiella tillämpningarna av den nya tekniken extremt breda. Alla industrier som behöver nanomaterial kan använda systemet, med ingående metaller som varierar beroende på användningsområde", säger Torben.
Mer information: Caiden J. Parker et al, Synthesis of Planet-Like Liquid Metal Nanodroplets with Loving Properties for Catalysis, Avancerade funktionella material (2023). DOI:10.1002/adfm.202304248
Journalinformation: Avancerat funktionsmaterial
Tillhandahålls av FLEET
