À gauche :C'est la structure du métatungstate d'ammonium dissous dans l'eau à l'échelle de la longueur atomique. Les octaèdres constitués de l'ion tungstène au centre et des six ions oxygène environnants partagent en partie des coins et des bords. A droite :C'est la structure des nanoparticules dans la phase cristalline ordonnée. Les octaèdres partagent exclusivement des coins. Crédit :Dipankar Saha/Université d'Århus
Avec la source lumineuse à rayons X PETRA III de DESY, Des scientifiques danois ont observé la croissance de nanoparticules en direct. L'étude montre comment les nanoparticules d'oxyde de tungstène se forment à partir d'une solution. Ces particules sont utilisées par exemple pour les fenêtres intelligentes, qui deviennent opaques sur simple pression d'un interrupteur, et ils sont également utilisés en particulier dans les cellules solaires. L'équipe autour de l'auteur principal, le Dr Dipankar Saha de l'Université d'Århus, présente ses observations dans la revue scientifique Angewandte Chemie Édition Internationale .
Pour leur enquête, les scientifiques ont construit une petite chambre de réaction, qui est transparent pour les rayons X. "Nous utilisons de fins capillaires de saphir ou de silice fondue facilement pénétrables par les rayons X, " a déclaré le professeur Bo Iversen, chef du groupe de recherche. Dans ces capillaires, les scientifiques ont transformé le soi-disant métatungstate d'ammonium dissous dans l'eau en nanoparticules à haute température et haute pression. Avec la brillante lumière à rayons X PETRA III, les chimistes ont pu suivre la croissance de petites particules de trioxyde de tungstène (WO
"Les mesures aux rayons X montrent les éléments constitutifs du matériau, " a déclaré le co-auteur Dr Ann-Christin Dippel de DESY, scientifique à la ligne de lumière P02.1, où les expériences ont été menées. "Avec notre méthode, nous sommes en mesure d'observer la structure du matériau à l'échelle de la longueur atomique. Ce qui est particulier ici, c'est la possibilité de suivre la dynamique du processus de croissance, » précise Dippel. « Les différentes structures cristallines qui se forment dans ces nanoparticules sont déjà connues. Mais maintenant, nous pouvons suivre en temps réel le mécanisme de transformation des molécules en nanocristaux. Nous ne voyons pas seulement la séquence du processus, mais aussi pourquoi des structures spécifiques se forment."
Au niveau moléculaire, les unités de base de nombreux composés métal-oxygène comme les oxydes sont les octaèdres, qui se composent de huit triangles égaux. Ces octaèdres peuvent partager des coins ou des bords. Selon leur configuration, les composés résultants ont des caractéristiques différentes. Ceci n'est pas seulement vrai pour le trioxyde de tungstène, mais s'applique essentiellement à d'autres matériaux.
Données en temps réel de la fonction de distribution des paires pendant la croissance de nanoparticules de trioxyde de tungstène. La fonction de distribution de paires donne le taux d'occurrence des distances de liaison atomique dans une molécule ou un matériau. Au cours de la synthèse, la distance de liaison à 3,3 disparaît, ce qui représente les octaèdres de partage de bord. Initialement, la molécule précurseur a une taille d'environ 6 . Lors de la croissance des nanoparticules à partir de ~ 5 min, les structures d'ordre à longue distance à l'échelle du nanomètre évoluent. Crédit :Dipankar Saha/Université d'Århus
Les unités d'octaèdres dans les solutions se transforment en nanoparticules, avec une petite particule de dix nanomètres comprenant environ 25 octaèdres. "Nous avons pu déterminer qu'au début, les deux éléments de structure existent dans le matériau d'origine, la liaison par coins et par arêtes, " dit Saha. " Au cours de la réaction, le réarrangement des octaèdres :plus vous attendez, plus la connexion de bord disparaît et la connexion par coins devient plus fréquente. Les nanoparticules qui se sont développées dans nos investigations ont une structure cristalline principalement ordonnée."
Représentation schématique de l'installation expérimentale :La lumière brillante des rayons X de PETRA III (en haut à gauche) est diffusée par des nanoparticules qui se développent dans le capillaire (à droite) sous haute température et haute pression. Les diagrammes de diffraction (à droite) contiennent des informations sur les structures des nanoparticules et leurs changements en temps réel (en bas à droite). Credit:Mogens Christensen/Århus University
In the continuous industrial synthesis, this process occurs so quickly, that it mainly produces nanoparticles with mixed disordered structures. "Ordered structures are produced when nanoparticles get enough time to rearrange, " said Saha. "We can use these observations for example to make available nanoparticles with special features. This method is also applicable to other nanoparticles."
