Faire un pas de géant dans le « petit » domaine des nanosciences, une équipe multi-institutionnelle de chercheurs est la première à créer des particules nanométriques composées d'un maximum de huit éléments distincts généralement connus pour être non miscibles, ou incapables d'être mélangés ou mélangés ensemble. Le mélange de plusieurs, éléments non mélangeables dans un unifié, nanostructure homogène, appelée nanoparticule d'alliage à haute entropie, élargit considérablement le paysage des nanomatériaux et de ce que nous pouvons en faire.

Cette recherche fait une avancée significative sur les efforts précédents qui ont généralement produit des nanoparticules limitées à seulement trois éléments différents et à des structures qui ne se mélangent pas uniformément. Essentiellement, il est extrêmement difficile de presser et de mélanger différents éléments en particules individuelles à l'échelle nanométrique. L'équipe, qui comprend des chercheurs principaux de l'Université du Maryland, A. James Clark School of Engineering de College Park (UMD), a publié un article évalué par des pairs basé sur la recherche présentée sur la couverture du 30 mars de Science .

"Imaginez les éléments qui se combinent pour former des nanoparticules comme des blocs de construction Lego. Si vous n'avez qu'une à trois couleurs et tailles, alors vous êtes limité par les combinaisons que vous pouvez utiliser et les structures que vous pouvez assembler, " explique Liangbing Hu, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux à l'UMD et l'un des auteurs correspondants de l'article. « Ce que notre équipe a fait, c'est essentiellement agrandir le coffre à jouets en synthèse de nanoparticules ; maintenant, nous sommes capables de construire des nanomatériaux avec presque tous les éléments métalliques et semi-conducteurs."

Les chercheurs disent que cette avancée dans les nanosciences ouvre de vastes opportunités pour un large éventail d'applications qui incluent la catalyse (l'accélération d'une réaction chimique par un catalyseur), stockage d'énergie (batteries ou supercapacités), et imagerie bio/plasmonique, entre autres.

Pour créer les nanoparticules d'alliage à haute entropie, les chercheurs ont utilisé une méthode en deux étapes de chauffage éclair suivi d'un refroidissement éclair. Des éléments métalliques tels que le platine, nickel, fer à repasser, cobalt, or, le cuivre, et d'autres ont été exposés à un choc thermique rapide d'environ 3, 000 degrés Fahrenheit, soit environ la moitié de la température du soleil, pendant 0,055 seconde. La température extrêmement élevée a entraîné des mélanges uniformes des multiples éléments. Le refroidissement rapide qui s'ensuit (plus de 100, 000 degrés Fahrenheit par seconde) a stabilisé les éléments nouvellement mélangés dans le nanomatériau uniforme.

"Notre méthode est simple, mais celui que personne d'autre n'a appliqué à la création de nanoparticules. En utilisant une approche de science physique, plutôt qu'une approche traditionnelle de la chimie, nous avons réalisé quelque chose d'inédit, " dit Yonggang Yao, un doctorat étudiant à l'UMD et l'un des principaux auteurs de l'article.

Pour démontrer une utilisation potentielle des nanoparticules, l'équipe de recherche les a utilisés comme catalyseurs avancés pour l'oxydation de l'ammoniac, qui est une étape clé dans la production d'acide nitrique (un acide liquide qui est utilisé dans la production de nitrate d'ammonium pour les engrais, fabrication de matières plastiques, et dans la fabrication de colorants). Ils ont pu obtenir une oxydation de 100 % de l'ammoniac et une sélectivité de 99 % envers les produits souhaités avec les nanoparticules d'alliage à haute entropie, prouvant leur capacité en tant que catalyseurs hautement efficaces.

Yao dit qu'une autre utilisation potentielle des nanoparticules comme catalyseurs pourrait être la génération de produits chimiques ou de carburants à partir de dioxyde de carbone.

"Les applications potentielles des nanoparticules d'alliages à haute entropie ne se limitent pas au domaine de la catalyse. Avec une curiosité interdisciplinaire, les applications démontrées de ces particules deviendront encore plus répandues, " dit Steven D. Lacey, un doctorat étudiant à l'UMD et également l'un des principaux auteurs de l'article.

Cette recherche a été réalisée grâce à une collaboration multi-institutionnelle du groupe du professeur Liangbing Hu à l'Université du Maryland, Parc du Collège ; le groupe du professeur Reza Shahbazian-Yassar à l'Université de l'Illinois à Chicago; le groupe du professeur Ju Li au Massachusetts Institute of Technology; le groupe du professeur Chao Wang à l'Université Johns Hopkins; et le groupe du professeur Michael Zachariah à l'Université du Maryland, Parc du Collège.

« C'est assez incroyable ; le Dr Hu a proposé de manière créative cette technique puissante, synthèse de choc carbo-thermique, pour produire des alliages à haute entropie de jusqu'à huit éléments différents dans une seule nanoparticule. Ceci est en effet impensable pour la synthèse de matériaux en vrac. C'est encore un autre bel exemple de nanoscience !, " dit Peidong Yang, le S.K. et Angela Chan professeur émérite d'énergie et professeur de chimie à l'Université de Californie, Berkeley et membre de l'Académie américaine des arts et des sciences.

"Cette découverte ouvre de nombreuses nouvelles directions. Il existe des opportunités de simulation pour comprendre la structure électronique des différentes compositions et phases qui sont importantes pour la prochaine génération de conception de catalyseur. En outre, trouver des corrélations entre les voies de synthèse, composition, et la structure et les performances des phases permettent un changement de paradigme vers la synthèse guidée, " dit George Crabtree, Argonne Distinguished Fellow et directeur du Centre commun de recherche sur le stockage de l'énergie au Laboratoire national d'Argonne.