(Phys.org) —Les nanoparticules d'argent individuelles dans les solutions se développent généralement par fixation d'un seul atome, mais surtout, lorsqu'elles atteignent une certaine taille, elles peuvent se lier à d'autres particules, selon les scientifiques du Pacific Northwest National Laboratory, l'Université de Californie, Davis, et l'Université d'État de Floride. Ce résultat apparemment simple a modifié un paradigme scientifique de longue date qui ne tenait pas compte des modèles cinétiques pour expliquer la formation des ensembles de nanoparticules.

Les méthodes conventionnelles ont soit 1) été limitées à une analyse « post-mortem » longtemps après que la croissance a ralenti, 2) "cerise cueillie" les particules examinées, manquant ainsi les implications à mésoéchelle, ou 3) n'ont analysé que la moyenne de la population et ont manqué les variances des particules individuelles. Maintenant, en considérant la cinétique du taux de croissance moyen et la distribution des tailles de particules, l'équipe explique pourquoi les scientifiques voient ce qu'ils voient lorsque des ensembles de nanoparticules se forment via des mécanismes non classiques.

"Les découvertes de l'équipe mettent en lumière des observations auparavant inexpliquées de croissance agrégative de nanoparticules, " a déclaré le Dr Louis Terminello, qui dirige l'Initiative d'imagerie chimique au PNNL, qui a financé une grande partie des travaux. "Une telle compréhension des interactions à mésoéchelle offre plus de précision dans la synthèse des matériaux, nous rapprocher des matériaux sur mesure pour la catalyse, stockage d'Energie, et d'autres utilisations."

soit le stockage d'énergie renouvelable pour une utilisation ultérieure ou la conception de batteries plus durables pour les véhicules électriques, de nombreux problèmes énergétiques d'aujourd'hui ne seront pas résolus avec les matériaux d'aujourd'hui. De nouveaux matériaux sont nécessaires. La clé pour éviter les recherches fastidieuses par essais et erreurs est de contrôler étroitement la croissance des nanoparticules pour construire les matériaux nécessaires, de bas en haut. Cette étude fournit des informations importantes sur les nano-ensembles développés par des mécanismes non classiques, y compris l'agrégation et la coalescence.

Depuis le début des années 1960, les scientifiques ont interprété quantitativement la croissance des nanoparticules à l'aide d'un modèle appelé Lifshitz-Slyozov-Wagner (LSW). Ce modèle traite de la dissolution de petits cristaux et du dépôt de la matière dissoute sur les plus gros - un processus appelé maturation d'Ostwald. Mais jusqu'à maintenant, peu d'attention a été accordée à la modélisation de la distribution granulométrique correspondante - une propriété globale qui dicte souvent des propriétés fonctionnelles importantes, comme l'activité catalytique.

"A l'échelle atomique, La maturation d'Ostwald correspond à la croissance observée. Mais à mésoéchelle, nous devons en savoir plus sur la distribution granulométrique, " a déclaré le Dr Nigel Browning, Directeur scientifique de l'Initiative d'imagerie chimique et responsable de ce projet.

Les scientifiques ont utilisé la microscopie électronique à transmission à balayage liquide in situ pour faire croître et observer directement des ensembles de nanoparticules d'argent. L'équipe a découvert que le modèle cinétique d'agrégation de Smoluchowski correspondait quantitativement au taux de croissance moyen et à la distribution granulométrique de l'ensemble. Les chercheurs ont également utilisé un algorithme créé par le Dr Chiwoo Park de l'État de Floride pour capturer toutes les particules et analyser toutes les données, une autre différence par rapport aux méthodes précédentes.

"En utilisant l'approche combinée d'imagerie et d'analyse, nous pouvons cartographier la distribution granulométrique complète, et voyez comment un mécanisme prend le relais de l'autre, " a déclaré Browning.

Bien que le taux de croissance moyen observé au cours des expériences de croissance in situ soit cohérent avec le modèle LSW et suggère que la maturation d'Ostwald était le mécanisme de croissance dominant, le modèle de Smoluchowski a montré que le taux de croissance moyen à l'échelle de l'ensemble est d'environ 20 % supérieur à celui des nanoparticules non agrégées. La distribution granulométrique correspondante est plus large et plus symétrique (voir figure) que celle prédite par la maturation d'Ostwald dans le LSW. Et, il correspond plus étroitement aux données expérimentales. Les résultats de l'équipe suggèrent que les particules doivent atteindre une certaine taille avant de pouvoir se développer en des ensembles plus grands.

"Nos résultats mettent vraiment en évidence la nécessité pour le domaine de prendre en compte à la fois les mécanismes de croissance classiques et non classiques lorsqu'il s'agit de comprendre et finalement de contrôler les caractéristiques finales des nanoparticules, " a déclaré le Dr James Evans, co-auteur et scientifique au sein du Laboratoire des sciences moléculaires de l'environnement.

Cette étude est une première étape pour permettre aux chercheurs de prédire et d'ajuster avec précision les distributions de tailles de nanoparticules dans des synthèses à l'échelle du laboratoire basées sur des théories physiques et des observations empiriques. L'équipe continuera à répondre aux questions fondamentales sur les phénomènes à mésoéchelle.