Ученые из ETH Zurich разработали нанокристаллы с двумя разными металлами, используя процесс амальгамирования, когда твердый металл проникает сквозь жидкий металл.

Этот новый, удивительно интуитивно понятный метод позволяет производить широкий спектр интерметаллических нанокристаллов с индивидуальными характеристиками для различных приложений.

Нанокристаллы представляют собой сферы нанометрового размера с регулярным расположением атомов. Благодаря своим полезным характеристикам они находят применение во многих технологиях. Например, полупроводниковые нанокристаллы используются в телевизионных экранах следующего поколения.

Так называемые интерметаллические нанокристаллы, в которых два типа металлов смешиваются для образования кристаллической решетки, в последнее время привлекли более широкое внимание благодаря их особым и усовершенствованным приложениям. Их области применения варьируются от катализа до хранения данных и медицины.

В принципе, доступны десятки тысяч потенциальных комбинаций металлов, способных образовывать нанокристаллы с соответствующими разнообразными свойствами материалов. Но до сих пор было возможно производить нанокристаллы только с меньшим количеством таких спариваний.

Группа исследователей из ETH Zurich, возглавляемая Максимом Яремой и Ванессой Вуд из Института электроники, создала новый метод, который позволяет получить почти все возможные комбинации интерметаллических нанокристаллов.

Результаты исследования опубликованы в научном журнале Science Advances.

Удивительно интуитивный метод

Наш метод прост и интуитивен – на самом деле настолько интуитивен, что мы были удивлены, что ни у кого не было этой идеи до нас .

Максим Ярема, ведущий научный сотрудник, ETH Zurich

Традиционные процессы изготовления нанокристаллов из одного металла часто включают добавление атомов металла в молекулярной форме. Например, их добавляют в виде солей в раствор, в котором затем развиваются нанокристаллы.

Теоретически это можно сделать и с двумя разными металлами, но на практике сложно или даже невозможно объединить в реакторе сильно разнородные металлы .

Максим Ярема, ведущий научный сотрудник, ETH Zurich

Таким образом, исследователи из ETH Zurich придерживались метода, широко использовавшегося веками – амальгамации, уникального вида плавления или смешивания металлов.

Жидкие металлы

Амальгамы особенно известны в стоматологии, где они используются в качестве пломбировочного материала, а также при добыче золота. В обоих случаях жидкая ртуть используется для растворения других металлов (для зубных пломб – смесь серебра, цинка и меди).

Но амальгамирование можно использовать с любым другим жидким металлом. Помимо ртути, которая существует в жидкой форме даже при комнатной температуре, существуют различные другие металлы, такие как индий (157 ° C), галлий (30 ° C) или олово (232 ° C), которые обладают сравнительно низкими температурами плавления.

Подход к объединению нанокристаллов

Ярема и его сотрудники использовали процесс амальгамирования на наноразмерном уровне. Реакция начинается с диспергирования нанокристаллов одного металла, например серебра. Кроме того, атомы второго металла, такого как галлий, включены в молекулярной форме (здесь это амиды, соединение углерода, азота и водорода), в то время как смесь нагревается примерно до 300 ° C.

Ярема сказал: « Мы поражены тем, насколько эффективно объединение в наномасштабе. Наличие одного жидкометаллического компонента является ключом к быстрому и равномерному легированию каждого нанокристалла »

Сначала из-за высокой температуры химические связи разрываются при разрыве амида галлия, позволяя жидкому галлию оседать на нанокристаллах серебра. Затем жидкий галлий проникает в твердое серебро прямо тогда, когда начинается реальный процесс амальгамирования.

Со временем развивается новая кристаллическая решетка, в которой атомы серебра и галлия расположены регулярно. В конце концов, все остывает, и через 10 минут образуются нанокристаллы.

Мы поражены тем, насколько эффективно объединение в наномасштабе. Наличие одного жидкометаллического компонента является ключом к быстрому и однородному легированию в каждом нанокристалле .

Максим Ярема, ведущий научный сотрудник, ETH Zurich

Управляемый процесс

Исследователи использовали ту же процедуру для разработки различных интерметаллических нанокристаллов, таких как медь-галлий, палладий-цинк и золото-галлий.

Процесс объединения можно точно контролировать. Используя количество доступных вторичных атомов, которые добавляются в растворы в виде амидов, можно точно регулировать соотношение металлов в нанокристаллах.

Рассматривая пример золото-галлий (химические символы Ga и Au), ученые заметили, что этот метод дает нанокристаллы разных пропорций. Например, 7: 2 (Au7Ga ₂ ), 1: 1 (AuGa), 1: 2 (AuGa ₂ ).

Кроме того, размер конечных интерметаллических нанокристаллов может быть определенно спроецирован из размера исходных нанокристаллов и увеличения размера, вызванного вторым металлом.

Специальные нанокристаллы для приложений

Ученые предсказывают огромный потенциал для технологических приложений, учитывая точную управляемость состава и размера нанокристаллов, а также способность практически произвольно объединять металлы.

Ярема заключил: « Поскольку синтез нанокристаллов путем амальгамирования позволяет создавать так много новых композиций, мы не можем дождаться, чтобы увидеть их работу в улучшенном катализе, плазмонике или литий-ионных батареях. »

Например, катализаторы, изготовленные из нанокристаллов, можно точно настроить и улучшить для определенного химического процесса, который они собираются ускорить.

Ссылка на журнал:

Clarysse, J., и др. (2021) Интерметаллические нанокристаллы с контролируемым размером и составом путем выращивания с затравкой из амальгамирования. Достижения науки. doi.org/10.1126/sciadv.abg1934 .

Источник: https://ethz.ch/en.html[19459009visible