Les chercheurs ont publié la première partie de ce qu'ils s'attendent à être une base de données montrant la cinétique impliquée dans la production de nanocristaux métalliques colloïdaux - qui conviennent à la catalyse, biomédical, applications photoniques et électroniques – grâce à un mécanisme autocatalytique.

Dans le processus basé sur les solutions, les précurseurs chimiques s'adsorbent sur les grains de nanocristaux avant d'être réduits en atomes qui alimentent la croissance des nanocristaux. Les données cinétiques sont basées sur des études systématiques minutieuses effectuées pour déterminer les taux de croissance sur différentes facettes des nanocristaux, des structures de surface qui contrôlent la croissance des cristaux en attirant des atomes individuels.

Dans un article publié le 11 décembre dans la revue Actes de l'Académie nationale des sciences , une équipe de recherche du Georgia Institute of Technology a fourni une image quantitative de la façon dont les conditions de surface contrôlaient la croissance des nanocristaux de palladium. L'oeuvre, qui comprendra plus tard des informations sur les nanocristaux fabriqués à partir d'autres métaux nobles, est soutenu par la National Science Foundation.

"Il s'agit d'une étude fondamentale sur la façon dont les nanocristaux catalytiques se développent à partir de minuscules graines, et beaucoup de personnes travaillant dans ce domaine pourraient bénéficier de la systématique, les informations quantitatives que nous avons développées, " dit Younan Xia, professeur et président de la famille Brock au département de génie biomédical Wallace H. Coulter de Georgia Tech et de l'Université Emory. "Nous espérons que ce travail aidera les chercheurs à contrôler la morphologie des nanocristaux nécessaires à de nombreuses applications différentes."

Un facteur critique contrôlant la croissance des nanocristaux à partir de minuscules graines est l'énergie de surface des facettes cristallines sur les graines. Les chercheurs savent que les barrières énergétiques dictent l'attraction de surface pour les précurseurs en solution, mais des informations spécifiques sur la barrière énergétique pour chaque type de facette n'étaient pas facilement disponibles.

"Typiquement, la surface des graines qui servent à faire croître ces nanocristaux n'est pas homogène, " a expliqué Xia, qui est également l'éminent chercheur de la Georgia Research Alliance en nanomédecine et occupe des postes conjoints à l'École de chimie et de biochimie et à l'École de génie chimique et biomoléculaire. "Vous pouvez avoir différentes facettes sur les cristaux, qui dépendent de la disposition des atomes en dessous d'eux. Du point de vue des précurseurs dans la solution autour des graines, ces surfaces ont des énergies d'activation différentes qui déterminent à quel point il sera difficile pour les précurseurs ou les atomes d'atterrir sur chaque surface."

L'équipe de recherche de Xia a conçu des expériences pour évaluer les barrières énergétiques sur diverses facettes, en utilisant des graines dans une variété de tailles et de configurations de surface choisies pour n'avoir qu'un seul type de facette. Les chercheurs ont mesuré à la fois la croissance des nanocristaux en solution et le changement de concentration du sel précurseur du tétrabromure de palladium (PdBr4 2-).

« En choisissant le bon précurseur, nous pouvons nous assurer que toute la réduction que nous mesurons est en surface et non dans la solution, " a-t-il expliqué. " Cela nous a permis de faire des mesures significatives sur la croissance, qui est contrôlé par le type de facette, ainsi que la présence d'une frontière jumelle, correspondant à des schémas de croissance et des résultats finaux distinctifs.

Pendant près d'un an, Tung-Han Yang, assistant de recherche diplômé invité, a étudié la croissance des nanocristaux à l'aide de différents types de graines. Plutôt que de permettre la croissance de nanocristaux à partir de l'auto-nucléation, L'équipe de Xia a choisi d'étudier la croissance à partir de graines afin de pouvoir contrôler les conditions initiales.

Le contrôle de la forme des nanocristaux est essentiel pour les applications en catalyse, photonique, électronique et médecine. Parce que ces métaux nobles sont chers, minimiser la quantité de matériau nécessaire pour les applications catalytiques aide à contrôler les coûts.

« Quand vous faites de la catalyse avec ces matériaux, vous voulez vous assurer que les nanocristaux sont aussi petits que possible et que tous les atomes sont exposés à la surface, " dit Xia. " S'ils ne sont pas à la surface, ils ne contribueront pas à l'activité et seront donc gaspillés."

L'objectif ultime de la recherche est une base de données que les scientifiques peuvent utiliser pour guider la croissance de nanocristaux avec des tailles spécifiques, formes et activité catalytique. Au-delà du palladium, les chercheurs prévoient de publier les résultats d'études cinétiques pour l'or, argent, platine, rhodium et autres nanocristaux. Bien que le modèle des barrières énergétiques soit probablement différent pour chacun, il y aura des similitudes dans la façon dont les barrières énergétiques contrôlent la croissance, dit Xia.

"C'est vraiment la façon dont les atomes sont disposés à la surface qui détermine l'énergie de surface, " expliqua-t-il. " Selon les métaux impliqués, les nombres exacts seront différents, mais les rapports entre les types de facettes devraient être plus ou moins les mêmes."

Xia espère que les travaux de son équipe de recherche permettront de mieux comprendre le fonctionnement du processus autocatalytique dans la synthèse de ces nanomatériaux, et finalement à des applications plus larges.

"Si vous voulez contrôler la morphologie et les propriétés, vous avez besoin de ces informations pour pouvoir choisir le bon précurseur et le bon agent réducteur, " a déclaré Xia. " Cette étude systématique conduira à une base de données sur ces matériaux. Ce n'est que le début de ce que nous prévoyons de faire."