În interiorul fabricii nano: Informații în timp real asupra creării nanostructurii
Tehnicile inovatoare de imagistică au permis oamenilor de știință să observe și să controleze sinteza nanoparticulelor de platină-nichel, îmbunătățind designul materialului pentru tehnologie și medicină.
Nanoparticulele metalice, formate din câteva până la câteva mii de atomi sau molecule simple, câștigă o atenție considerabilă pentru potențialul lor tehnologic. Electrozii acoperiți cu nanoparticule, cunoscuți ca nanostraturi, sunt deosebit de valoroși în domenii precum producția de energie, unde funcționează ca catalizatori. O metodă utilizată pe scară largă pentru crearea acestor straturi pe electrozi este electrodepunerea. Recent, o echipă internațională de cercetători a descoperit noi perspective asupra complexității acestui proces.
Progrese în cercetarea nanoparticulelor
Cercetarea nanoparticulelor deblochează progrese interesante în energie, medicină și electronică. O provocare majoră în acest domeniu este controlul modului în care nanostructurile sunt sintetizate și crescute. Pentru a rezolva acest lucru, o echipă internațională de oameni de știință, condusă de cercetători de la Institutul de Fizică Nucleară al Academiei Poloneze de Științe (IFJ PAN) din Cracovia, a efectuat un experiment inovator.
Ei au demonstrat electrodepunerea unui nanstrat de platină-nichel (PtNi) pe un electrod. Folosind tehnici de imagistică de ultimă oră, echipa a observat formarea structurilor la nivel atomic în timp real – un pas crucial către proiectarea materialelor cu proprietăți adaptate precis.
Înțelegerea electrodepunerii
Electrodepunerea este o metodă rapidă și convenabilă pentru producerea nanostructurilor. Implică scufundarea unui electrod într-o soluție de sare metalică, din care stratul urmează să fie crescut, urmată de aplicarea unei tensiuni adecvate care face ca ionii de lângă suprafața electrodului să se reducă, inițiind creșterea stratului.
Tehnicile de microscopie electronică cu transmisie (TEM) sunt esențiale pentru a examina îndeaproape procesul de electrodepunere. TEM permite realizarea de imagini cu o rezoluție sub-angstrom (adică mai puțin de o zece-milionime dintr-un milimetru), deoarece utilizează un fascicul de electroni cu o lungime de undă mult mai scurtă decât lumina vizibilă. În mod ideal, ar fi posibil să se observe, în timp real, cum au loc nuclearea (etapa inițială de creștere în care se formează semințele de nanoparticule) și creșterea stratului pe electrod.
Cu toate acestea, imagistica TEM vine cu anumite limitări: mostrele trebuie să fie cât mai subțiri posibil și complet uscate. Pentru a depăși aceste provocări și a permite imagistica reacțiilor chimice, cercetătorii au folosit astfel o tehnică specială de imagistică într-o cameră de curgere a celulelor lichide.
Progrese în tehnicile imagistice
„Celula de flux constă din două cipuri de siliciu echipate cu o membrană SiNx de 50 de nanometri grosime. Această membrană este transparentă la electroni, iar pe suprafața sa este plasat un electrod suplimentar. Prin aplicarea unei tensiuni, utilizatorul microscopului poate observa cum crește stratul pe electrod. Experimentele care utilizează o astfel de celulă necesită un suport special pentru experimentele de flux în TEM”, explică prof. dr. Magdalena Parlińska-Wojtan, ing. (IFJ PAN).
Observații și perspective în timp real
Experimentele efectuate la Universitatea de Tehnologie din Silezia folosind un microscop TEM au confirmat că stratul de PtNi crește într-adevăr direct pe electrod, oferind informații cruciale asupra fundamentelor întregului proces. Un mecanism alternativ ar implica nanoparticule care se formează mai întâi în electrolit și apoi se deplasează spre electrod pentru a fi atașate. Acest efect a fost observat și, dar numai în zonele iluminate de fascicul, datorită faptului că fasciculul de electroni interacționează cu apa, comportându-se ca un agent reducător.
Observațiile „uscate” ulterioare au arătat că stratul este de fapt compus din nanoparticule sferice cu diametre de câteva zeci de nanometri. Mărirea ulterioară a imaginilor TEM a arătat că suprafața acestor nanoparticule constă din structuri dendritice fine, dens ramificate (ramificații multiple).
Îmbunătățirea proceselor de electrodepunere
„Ca parte a colaborării noastre cu Institutul Fritz Haber al Societății Max Planck din Berlin, am efectuat un experiment suplimentar prin extinderea timpului de reacție și reducerea ratei modificărilor de tensiune. Acest lucru ne-a permis să observăm efecte suplimentare: nuclearea nanoparticulelor individuale, care cresc rapid și fuzionează pentru a forma un strat continuu. În timpul schimbărilor de tensiune în ciclurile ulterioare de electrodepunere, nanoparticulele suferă o creștere și dizolvare alternativă. Cu toate acestea, creșterea este un proces mai rapid decât dizolvarea, care are ca rezultat un strat stabil”, explică prof. Parlińska-Wojtan.
Cercetătorii au utilizat un microscop cu raze X cu transmisie în scanare (STXM) la Centrul Național de Radiații Sincrotron SOLARIS din Cracovia pentru a studia nanoparticulele într-un mediu lichid. Deși imaginile STXM au o rezoluție mai mică decât cele din microscopie electronică, acestea oferă informații despre proprietăți precum stările de oxidare ale atomilor.
Folosind o celulă de flux, similară celei utilizate în TEM, au investigat în timp real stratul de PtNi format prin electrodepunere, determinând că acesta este compus din oxid de nichel(II) și platină metalică.
Cercetarea subliniază atât explorarea capacităților tehnice ale instrumentelor de măsurare avansate, cât și înțelegerea proceselor fundamentale care influențează sinteza și proprietățile nanostructurilor. Rezultatele, publicate în Nano Letters, ar putea avea aplicații în fabricarea materialelor pentru celule de combustibil și medicină.
Sursa scitechdaily.com