Des scientifiques de l'Université nationale de Singapour observent la formation en temps réel de structures creuses dans la réaction de remplacement galvanique (GR) entre l'argent et l'or avec une résolution nanométrique, comprendre les mécanismes à l'origine des transformations structurelles.

Les nanoparticules bimétalliques creuses ont un rapport surface/volume élevé et sont de bons candidats pour développer des matériaux catalytiques car elles permettent plus d'interactions entre les réactifs et la surface du catalyseur. La réaction GR est une approche largement utilisée pour former de telles nanoparticules. Au cours de la réaction, les changements structurels sont entraînés par une différence de potentiel électrochimique entre deux métaux différents dans une solution, ce qui conduit à la corrosion préférentielle d'un métal par rapport à l'autre. Cependant, produire des nanoparticules bimétalliques creuses de taille et de forme uniformes par synthèse chimique reste un défi, car les rôles précis des processus de croissance restent flous.

Une équipe dirigée par le professeur Utkur MIRSAIDOV du Département de physique et du Département des sciences biologiques, NUS a acquis une compréhension mécaniste des changements structurels lors de la formation de nanocubes d'argent creux lorsqu'ils réagissent avec les ions d'or dans une solution. Ceci a été réalisé en utilisant la microscopie électronique à transmission à cellules liquides (LC-TEM), qui est une nouvelle technique en microscopie électronique à transmission qui permet aux scientifiques d'examiner les processus dans les liquides avec une résolution nanométrique. Ils ont observé en temps réel que les nanocubes d'argent se creusent via la formation, croissance, et la coalescence des vides internes. Au cours de la réaction de remplacement, de l'or métallique est déposé sur la surface du nanocube d'argent avec dissolution simultanée de l'argent en solution. L'hypothèse courante est que, le noyau d'argent se creuse progressivement à travers un trou dans la coquille d'or. Cependant, l'équipe a découvert que pendant la réaction, des vides se forment à l'interface entre les métaux argent et or, souvent près des coins des nanocubes et ensuite, le creusement se fait vers l'intérieur.

Ces observations LC-TEM impliquent qu'un autre processus, l'effet Kirkendall (KE), contribue également au creusement des nanoparticules. KE se produit aux interfaces bimétalliques car les deux métaux se diffusent l'un dans l'autre à des vitesses différentes. Il en résulte la formation de vides du côté du métal à diffusion plus rapide, ce qui est cohérent avec l'observation LC-TEM. L'équipe a en outre caractérisé les changements dans les transformations structurelles des nanoparticules en fonction de la quantité d'ions or présents dans la solution et de la température de leur environnement, qui pointent tous vers un couplage entre KE et GR pendant le processus de creusement. Les vides se développent plus rapidement avec l'augmentation de la température, indiquant une diffusion atomique plus rapide et est cohérent avec le comportement attendu pour KE.

Expliquer la signification des résultats, Le professeur Mirsaidov a déclaré :"Nous sommes très excités par ces résultats. Notre équipe est la première à observer directement en temps réel le KE en tant que transitoire, stade intermédiaire de la réaction de creusement entre l'argent et l'or. Cette approche peut potentiellement être étendue à l'étude d'autres réactions en phase liquide à des températures élevées, ce qui nous rapproche des conditions réelles de réaction."