Cette figure illustre la facilité avec laquelle des grammes de nombreux types différents de nanoparticules d'oxyde peuvent être préparés en une seule étape. La première rangée de flacons d'échantillons montre les solutions salines initiales des différents éléments. La deuxième ligne montre le produit après réaction avec le superoxyde de potassium (KO2) et l'ajout de méthanol. La rangée du bas montre les grammes de nanoparticules après avoir été purifiées par centrifugation. Crédit :Laboratoire de recherche naval des États-Unis
Les scientifiques de la division Science et technologie des matériaux du Laboratoire de recherche navale (NRL) des États-Unis ont mis au point un nouveau processus en une étape utilisant, pour la première fois dans ce type de synthèses, superoxyde de potassium (KO2) pour former rapidement des nanoparticules d'oxyde à partir de simples solutions salines dans l'eau.
"Typiquement, la synthèse de nanoparticules d'oxyde implique la réaction lente d'un agent oxydant faible, comme le peroxyde d'hydrogène, avec des solutions diluées de sels ou de complexes métalliques dans des systèmes de solvants aqueux et non aqueux, " a déclaré le Dr Thomas Sutto, Chercheur chimiste du LNR. "La réaction exothermique rapide du superoxyde de potassium avec les solutions salines entraîne la formation de nanoparticules d'oxyde ou d'hydroxyde insolubles."
Un avantage important de cette méthode est la capacité de créer des quantités en vrac de matériaux. Le LNR a démontré que de grandes quantités (plus de 10 grammes) de nanoparticules d'oxyde peuvent être préparées en une seule étape, ce qui représente un rendement d'environ quatre ordres de grandeur supérieur à celui de nombreuses autres méthodes. Les concentrations de métaux, généralement en quantité millimolaire (mM), doivent être faibles afin d'empêcher l'agrégation des nanoparticules en amas plus grands qui pourraient limiter considérablement la quantité de matériau pouvant être préparée à tout moment.
Les nanoparticules d'oxyde se sont révélées être des composants cruciaux dans de nombreuses applications, notamment des dispositifs électroniques et magnétiques, stockage et production d'énergie, et des applications médicales telles que les nanoparticules magnétiques pour une utilisation en imagerie par résonance magnétique (IRM). Dans toutes ces applications, la taille des particules est essentielle à l'utilité et à la fonction des nanoparticules d'oxyde - une taille de particules réduite entraîne une augmentation de la surface, ce qui peut améliorer considérablement les performances de la nanoparticule d'oxyde.
Afin de démontrer l'applicabilité à grande échelle de cette nouvelle méthode, des nanoparticules d'oxyde ou d'hydroxyde ont été préparées à partir d'éléments représentatifs du tableau périodique pour produire rapidement des oxydes ou des hydroxydes de taille nanométrique. En plus des éléments convertis en nanoparticules d'oxyde dans l'illustration ci-dessus, il a également été montré que des nanoparticules d'oxyde peuvent être préparées à partir de métaux de transition de deuxième et troisième rangées, et même des semi-métaux comme l'étain, bismuth, thallium et plomb.
Un aspect passionnant de cette technique est qu'elle peut également être utilisée pour produire des mélanges de nanoparticules. Cela a été démontré par la préparation de matériaux plus complexes, tels que l'oxyde de cobalt et de lithium - un matériau de cathode pour les batteries au lithium; oxyde de bismuth manganèse - un matériau multiferroïque; et un matériau supraconducteur à 90 degrés Kelvin (K) d'oxyde de cuivre, d'yttrium et de baryum. En tant que tel, cette nouvelle voie de synthèse vers les nanoparticules d'oxyde est également très prometteuse pour une multitude d'autres catalyseurs, électrique, magnétique, ou des procédés électrochimiques, des nouvelles cathodes à la préparation en solution d'autres types de matériaux céramiques.
