Une nouvelle étude de la North Carolina State University montre que la taille joue un rôle clé dans la détermination de la structure de certaines nanoparticules creuses. Les chercheurs se sont concentrés sur les nanoparticules de nickel, qui ont des propriétés magnétiques et catalytiques intéressantes qui peuvent avoir des applications dans des domaines aussi divers que la production d'énergie et la nanoélectronique.

"Les principes que nous découvrons ici ont un grand potentiel pour la nanofabrication - la création de matériaux qui ont de très petites caractéristiques, avec de nombreuses applications dans des domaines allant de l'électronique à la médecine, " dit le Dr Joe Tracy, professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux à NC State et co-auteur de l'étude. "Cette étude améliore notre compréhension des nanoparticules creuses et constitue une base pour de futurs travaux sur des applications dans l'enregistrement magnétique à ultra-haute densité et des catalyseurs plus efficaces, ce qui est utile pour la production chimique, traitement des déchets et production d'énergie.

L'enjeu est l'oxydation des nanoparticules de nickel. Si vous commencez avec un morceau de nickel "noyau" et que vous l'oxydez, l'exposer à l'oxygène à haute température, la structure du matériau change. Si le matériau est partiellement oxydé - exposé à l'oxygène et à une chaleur élevée pendant une durée limitée - une coque solide d'oxyde de nickel se forme autour du matériau.

Si le matériau est exposé à la chaleur et à l'oxygène pendant une période prolongée, une oxydation supplémentaire se produit. La coque externe reste, mais le nickel est transporté hors du noyau, laissant un vide. Si le matériau est complètement oxydé, un plus grand vide est créé - laissant la coque d'oxyde de nickel effectivement creuse. Cette conversion de nanoparticules solides en nanoparticules creuses est connue sous le nom d'« effet Kirkendall nanométrique ».

Mais ce que les chercheurs de NC State ont découvert, c'est que la taille du noyau de nickel joue également un rôle clé dans la structure de ces particules. Par exemple, dans les nanoparticules de nickel plus petites - celles dont le noyau a un diamètre inférieur à 30 nanomètres (nm) - un seul vide se forme à l'intérieur de la coque pendant l'oxydation. Il en résulte un noyau asymétrique de nickel, avec un seul vide se développant d'un côté du noyau. Le noyau restant rétrécit au fur et à mesure que le processus d'oxydation se poursuit. C'est important, en partie, car la coquille d'oxyde de nickel s'épaissit progressivement du côté qui vient en butée contre le noyau. Plus le noyau est grand - dans la limite de 30 nm - plus ce côté de la coque devient épais. En d'autres termes, vous vous retrouvez avec une coque en oxyde de nickel qui peut être beaucoup plus épaisse d'un côté que de l'autre.

Cependant, les chercheurs ont découvert que les nanoparticules de nickel plus grosses faisaient quelque chose de complètement différent. Les chercheurs ont testé des nanoparticules avec des noyaux de nickel de 96 nm de diamètre, et a découvert que le processus d'oxydation dans ces nanoparticules créait de multiples vides dans le noyau - bien que le noyau lui-même soit resté complètement entouré par la coque d'oxyde de nickel. Ce processus a effectivement abouti à la création de bulles dans tout le noyau. Les "squelettes" de ces bulles sont toujours restés, même après oxydation complète, créant une coquille essentiellement creuse qui était encore entrecroisée avec quelques restes du noyau de nickel.

"Cela nous en dit long sur la façon de créer des structures à l'échelle nanométrique à l'aide de l'effet Kirkendall à l'échelle nanométrique, ", dit Tracy. "C'est un élément constitutif pour la recherche future dans le domaine."