Des nanogouttelettes de métal liquide ressemblant à des planètes ont été formées avec succès grâce à une nouvelle technique développée à l'Université RMIT, en Australie. Comme notre propre planète Terre, les nanogouttelettes comportent une « croûte » externe, un « manteau » de métal liquide et un « noyau » solide.
Le noyau intermétallique solide est la clé pour obtenir un mélange plus homogène, « enfermant » la même quantité de soluté (c'est-à-dire les métaux « cibles ») dans chaque gouttelette alliée.
L’équipe de recherche a atteint l’homogénéité grâce à une dissolution complète dans le milieu métallique liquide, rendue possible par le sel fondu à haute température. Leur article, "Synthèse de nanogouttelettes de métal liquide de type planétaire avec des propriétés prometteuses pour la catalyse", a été publié dans Advanced Functional Materials. en juillet 2023.
Cette découverte crée de nouvelles opportunités de recherche dans la chimie fondamentale des métaux liquides ainsi que dans des applications aussi diverses que l'électronique flexible, les matériaux à changement de phase, les catalyseurs et les piles à combustible, ainsi que les antimicrobiens à base d'argent.
Les métaux liquides sont apparus ces dernières années comme une nouvelle frontière prometteuse de la recherche chimique, agissant comme une nouvelle interface de réaction pour les solvants et les catalyseurs.
Ils peuvent également agir comme un matériau fonctionnel offrant une conductivité élevée, grâce à des liaisons métalliques délocalisées, et un intérieur doux et fluide.
Avec l'émergence d'applications de catalyse, de détection et de nanoélectronique reposant sur l'obtention de grandes surfaces, la synthèse de nanogouttelettes de métal liquide est devenue un objectif important.
Il existe de nombreuses combinaisons possibles lors de l'alliage pour des applications spécifiques, par exemple la dissolution du cuivre (le soluté) dans le gallium liquide (le solvant métallique).
Les nanogouttelettes de métal liquide sont créées par agitation mécanique à l'aide d'ondes sonores dans un solvant tel que l'éthanol ou l'eau.
Cependant, au cours de ce processus de « sonication », les alliages de métaux liquides ont tendance à se « dés-allier », c'est-à-dire à se briser en leurs métaux constitutifs.
Ceci est le résultat de méthodes antérieures tentant de dissoudre les métaux à des températures relativement basses, proches de la température ambiante. "Tout comme il est possible de dissoudre plus de sucre dans l'eau tiède que dans l'eau froide, davantage de cuivre peut être dissous dans du gallium plus chaud", explique l'auteur principal Caiden Parker, titulaire d'un doctorat. candidat au RMIT.
À basse température, une partie du métal soluté se reforme en particules solides plus grosses avant dissolution complète.
La composition résultante a des propriétés incohérentes et inhomogènes, la composition des nanogouttelettes individuelles variant considérablement. "Dans les cas extrêmes, de nombreuses nanogouttelettes, voire la plupart, peuvent être essentiellement dépourvues de métal soluté, qui finit par être concentré dans très peu de particules seulement", explique l'auteur correspondant, le Dr Torben Daeneke, également au RMIT.
Cette inhomogénéité et la présence de composés intermétalliques posent des difficultés considérables aux chercheurs souhaitant comprendre les mécanismes fondamentaux à l'œuvre dans la chimie des métaux liquides.
Dans la nouvelle étude, les chercheurs du RMIT ont résolu le problème du désalliage en chauffant considérablement le processus de synthèse (jusqu'à 400°C) pour garantir que le métal soluté est complètement dissous et en introduisant un fluide de suspension de sel fondu soigneusement sélectionné.
L'acétate de sodium a été sélectionné car il reste stable à haute température et peut être facilement éliminé par la suite.
Les nanogouttelettes résultantes présentent une structure intéressante semblable à une planète, composée d'une coque externe (oxyde), d'un manteau liquide (métal) et d'un noyau central solide et suspendu (intermétallique).
"Nous avons été immédiatement frappés par la similitude des nanogouttelettes avec une planète semblable à la Terre, avec une enveloppe externe solide, un manteau de métal liquide et un noyau de métal solide", explique Caiden.
Ce noyau solide est la clé du succès de la nouvelle technique, "enfermant" la même quantité de soluté dans chaque gouttelette alliée.
"Nous avons également été ravis de constater que nos nouvelles nanogouttelettes métalliques ressemblant à des planètes étaient partout", poursuit Caiden.
Le système était réparti de manière homogène, avec un rendement de production considérablement amélioré. L'analyse au microscope électronique à transmission (TEM) a confirmé que la structure centrale est observée dans presque chaque gouttelette.
La présence du noyau solide favorise également une utilisation très intéressante des nanogouttelettes planétaires dans les réactions catalytiques, accélérant les réactions chimiques.
Les nanogouttelettes de cuivre-gallium étudiées ont fourni des résultats prometteurs dans l'oxydation électrocatalytique de l'éthanol, qui pourraient être appliqués aux piles à combustible à l'éthanol.
L'élimination de l'acétate de sodium est importante avant cette réaction catalytique, le sel étant facilement éliminé dans de simples bains-marie.
Cette nouvelle technique prometteuse ouvre la voie à l'utilisation potentielle de nanogouttelettes de grande surface dans un large éventail d'applications futures, notamment, mais sans s'y limiter, l'électronique ou les matériaux catalytiques.
L'échelle physique des nanogouttelettes (c'est-à-dire nano plutôt que micro) facilitera également les études fondamentales sur la chimie des métaux liquides, notamment en examinant la nature précise de la formation de liaisons au sein des métaux liquides, les capacités de solvatation, la dynamique de cristallisation et la chimie colloïdale générale qui peuvent se produisent dans divers systèmes de métaux en fusion.
"Les structures semblables à des planètes sont comme de petits laboratoires miniatures, nous permettant d'étudier le comportement des métaux en fusion au niveau atomique", explique Torben.
Bien que l'étude ait prouvé la viabilité de la nouvelle technique utilisant un système cuivre-gallium, les auteurs s'attendent à des travaux supplémentaires pour confirmer que la technique réussira en utilisant d'autres combinaisons de systèmes d'alliages de soluté et de solvant, en commençant par l'argent, le zinc ou le bismuth dans le gallium liquide. , étain ou indium.
"Un avantage clé des systèmes à métaux liquides est la possibilité d'ajuster le mélange de métaux pour certaines applications, en fonction des propriétés des métaux constitutifs", explique Caiden.
"Par exemple, le cuivre est un excellent conducteur électrique. Lorsque nous combinons le cuivre avec le gallium, nous économisons non seulement des coûts importants en matière de consommation de matériaux, mais ouvrons également la voie à une électronique flexible, comme celle que vous avez peut-être vue dans les films de science-fiction. "
Potentiellement, le cuivre peut également être utilisé pour ses propriétés thermiques, avec une application potentielle de nanogouttelettes à base de cuivre dans les systèmes de dissipation thermique.
Les applications de catalyse de nanogouttelettes basées sur la capacité du cuivre à accélérer les réactions ont déjà été testées dans la nouvelle étude, avec une zone de site actif améliorée en plus des économies de synthèse de matériaux.
En ce qui concerne un autre métal, l'argent a déjà trouvé des applications basées sur ses propriétés antimicrobiennes, et une fois combiné avec le gallium, il pourrait créer une alternative plus biodisponible.
"Les applications potentielles de la nouvelle technologie sont donc extrêmement larges. Toutes les industries ayant besoin de nanomatériaux peuvent utiliser le système, les métaux constituants variant selon l'application", explique Torben.
Plus d'informations : Caiden J. Parker et al, Synthèse de nanogouttelettes de métal liquide de type planétaire avec des propriétés prometteuses pour la catalyse, Matériaux fonctionnels avancés (2023). DOI : 10.1002/adfm.202304248
Informations sur le journal : Matériaux fonctionnels avancés
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