L'assistant de recherche diplômé Xuetian Ma tient un réacteur similaire à ceux utilisés pour étudier la formation de cristaux à l'échelle nanométrique. Les récipients étaient constitués d'un tube de quartz à haute résistance d'environ un millimètre de diamètre et d'environ deux pouces de long. Les chercheurs ont déterminé pour la première fois ce qui contrôle la formation de deux structures cristallines nanométriques différentes dans le cobalt métallique. Crédit :Allison Carter, Géorgie Tech
Des faisceaux de rayons X à haute énergie et une configuration expérimentale intelligente ont permis aux chercheurs d'observer une haute pression, réaction chimique à haute température pour déterminer pour la première fois ce qui contrôle la formation de deux structures cristallines nanométriques différentes dans le cobalt métallique. La technique a permis une étude continue des nanoparticules de cobalt au fur et à mesure qu'elles se développaient d'amas comprenant des dizaines d'atomes en cristaux aussi grands que cinq nanomètres.
La recherche fournit la preuve de principe d'une nouvelle technique pour étudier la formation de cristaux en temps réel, avec des applications potentielles pour d'autres matériaux, y compris les alliages et les oxydes. Les données de l'étude ont produit des "diagrammes de phases nanométriques" montrant les conditions qui contrôlent la structure des nanocristaux de cobalt au fur et à mesure qu'ils se forment.
La recherche, signalé le 13 novembre dans le Journal de l'American Chemical Society , a été parrainé par la National Science Foundation, et utilisé des lignes de faisceaux de rayons X synchrotron soutenues par le département de l'Énergie des États-Unis au Brookhaven National Laboratory et au Argonne National Laboratory.
"Nous avons découvert que nous pouvions en effet contrôler la formation des deux structures cristallines différentes, et que le facteur d'accord était le pH de la solution, " a déclaré Hailong Chen, professeur adjoint à la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering du Georgia Institute of Technology. "Le réglage de la structure cristalline nous a permis de contrôler la fonctionnalité et les propriétés de ces matériaux. Nous pensons que cette méthodologie pourrait également être appliquée aux alliages et aux oxydes."
Dans le cobalt en vrac, la formation de cristaux favorise la structure hexagonale close-pack (HCP) car elle minimise l'énergie pour créer une structure stable. A l'échelle nanométrique, cependant, le cobalt forme également la phase cubique à faces centrées (FCC), qui a une énergie plus élevée. Cela peut être stable car l'énergie de surface élevée des petits nanoclusters affecte l'énergie cristalline totale, dit Chen.
« Quand les grappes sont petites, nous avons plus d'effets de réglage, qui est contrôlé par l'énergie de surface du groupe OH moins ou d'autres ligands, " Il a ajouté. " Nous pouvons régler la concentration du groupe OH moins dans la solution afin que nous puissions régler l'énergie de surface et donc l'énergie globale de l'amas. "
En collaboration avec des chercheurs des deux laboratoires nationaux et du Département des sciences des matériaux de l'Université du Maryland, Chen et l'assistant de recherche diplômé Xuetian Ma ont examiné les structures polymorphes à l'aide de théories, techniques de modélisation expérimentale et informatique.
Expérimentalement, les chercheurs ont réduit l'hydroxyde de cobalt dans une solution d'éthylène glycol, en utilisant de l'hydroxyde de potassium pour faire varier le pH de la solution. La réaction a lieu sous haute pression - environ 1, 800 livres par pouce carré et à plus de 200 degrés Celsius.
Hailong Chen, professeur adjoint à la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, et Xuetian Ma, un assistant de recherche diplômé, sont présentés dans leur laboratoire. Les chercheurs ont déterminé pour la première fois ce qui contrôle la formation de deux structures cristallines nanométriques différentes dans le cobalt métallique. Crédit :Allison Carter, Géorgie Tech
Dans le laboratoire, les chercheurs utilisent une enceinte de confinement en acier lourd qui leur a permis d'analyser uniquement les résultats de la réaction. Pour suivre comment s'est déroulée la réaction, ils avaient besoin de l'observer en temps réel, ce qui a nécessité le développement d'une enceinte de confinement suffisamment petite pour permettre la transmission des rayons X tout en gérant simultanément la haute pression et la haute température.
Le résultat était un réacteur constitué d'un tube de quartz à haute résistance d'environ un millimètre de diamètre et d'environ deux pouces de long. Après avoir ajouté la solution d'hydroxyde de cobalt, le tube a été tourné pour à la fois faciliter la réaction chimique et moyenner le signal des rayons X. Un petit radiateur appliquait l'énergie thermique nécessaire et un thermocouple mesurait la température.
Ma et Chen ont utilisé l'installation lors de quatre voyages séparés vers des lignes de faisceaux à la National Synchrotron Light Source II à Brookhaven, et la source avancée de photons du laboratoire national d'Argonne. Les rayons X traversant la chambre de réaction jusqu'à un détecteur bidimensionnel ont assuré une surveillance continue de la réaction chimique, qui a pris environ deux heures pour terminer.
"Quand ils ont commencé à former un spectre détectable, nous avons capturé le spectre de diffraction des rayons X et avons continué à l'observer jusqu'à ce que le cristal de cobalt se forme, " a expliqué Ma. "Nous avons pu observer étape par étape ce qui se passait depuis la nucléation initiale jusqu'à la fin de la réaction."
Les données obtenues en faisant varier le pH de la réaction ont produit un diagramme de phase nanométrique montrant où différentes combinaisons ont produit les deux structures.
Les résultats de la diffraction des rayons X ont confirmé les prédictions théoriques et la modélisation informatique effectuée par Yifei Mo, professeur adjoint à la A. James Clark School of Engineering de l'Université du Maryland. Mo et ses collègues Adelaide Nolan et Shuo Zhang ont utilisé la théorie fonctionnelle de la densité pour décrire comment le cristal nucléerait dans différentes conditions.
Le succès avec le cobalt suggère que la méthodologie pourrait être utilisée pour produire des diagrammes de phases nanométriques pour d'autres matériaux, y compris des alliages et oxydes plus complexes, dit Chen.
"Notre objectif était de construire un modèle et une compréhension systématique de la formation de matériaux cristallins à l'échelle nanométrique, " dit-il. " Jusqu'à maintenant, les chercheurs s'étaient appuyés sur une conception empirique pour contrôler la croissance des matériaux. Nous pouvons désormais proposer un modèle théorique qui permettrait de prédire systématiquement quels types de propriétés sont possibles dans différentes conditions."
Comme prochaine étape, les chercheurs de Georgia Tech envisagent d'étudier les alliages, pour améliorer encore le modèle théorique et l'approche expérimentale.
