Unter die Oberfläche von bimetallischen Nanopartikeln blicken
Neue Technik zur Verfolgung der Synthese von bimetallischen Kern-Schale-Nanopartikeln
Nanopartikel sind in vielen Disziplinen von Bedeutung, da ihre große Oberfläche im Vergleich zu ihrem Volumen ihnen interessante Eigenschaften verleiht. Die kontinuierliche Entwicklung von Analysemethoden für Nanopartikel ist daher von entscheidender Bedeutung. Forscher der Universität Osaka haben eine Methode vorgestellt, mit der sich die Bildung einer bestimmten Art von Metall-Nanopartikeln in Echtzeit charakterisieren lässt. Ihre Ergebnisse sind in Physical Review B veröffentlicht.
Metallatome in Nanopartikeln können auf der Oberfläche erscheinen, wenn die Nanopartikel mit einem anderen Metall beschichtet sind.
Nobutomo Nakamura et al.
Interne Struktur von Pd/Au-Nanopartikeln, ermittelt durch Molekulardynamiksimulation.
Nobutomo Nakamura et al.
Kern-Schale-Nanopartikel bestehen aus einer Art von Material, das in ein anderes eingekapselt ist, und bieten Eigenschaften, die mit nur einem Material nicht möglich sind.
Wenn es sich bei den Materialien um Metalle handelt und das eine auf dem anderen abgeschieden wird, sollten sie sich aufgrund bestimmter Eigenschaften der Metalle - z. B. der Atomgröße und der Oberflächenenergie - mit einem bestimmten Metall als Hülle organisieren. In der Praxis entspricht das Ergebnis jedoch nicht immer den Erwartungen und kann sich je nach Versuchsverfahren ändern.
Methoden zur Analyse von Kern-Schale-Nanomaterialien werden in der Regel nach der Synthese angewandt und geben wenig Aufschluss darüber, was während des Entstehungsprozesses geschieht. Die Forscher haben daher eine Technik entwickelt, mit der sie die Metallabscheidung und -umstrukturierung in Echtzeit bei Raumtemperatur verfolgen können.
"Unsere Technik basiert auf der Idee, dass, wenn das Metall mit der höheren Oberflächenenergie die Schale bildet, die Oberfläche des Partikels minimiert werden muss, damit sich die Kugel verengt", erklärt Erstautor Nobutomo Nakamura. "Wenn jedoch eine Interdiffusion der Metalle stattfindet, ist die Struktur der Kern-Schale-Teilchen disperser. Deshalb haben wir den Unterschied in der Partikelform mit einem piezoelektrischen Resonator verfolgt".
Die Formveränderungen wurden verfolgt, indem die Nanopartikel auf einem Substrat sehr nahe beieinander wuchsen und dann der Abstand zwischen den Partikeln über den Widerstand überwacht wurde.
Wenn das durch den Resonator angeregte elektrische Feld Elektronen dazu veranlasste, sich zwischen beabstandeten Teilchen zu bewegen, war der Widerstand hoch, weil der Fluss durch die Lücken unterbrochen wurde. Wenn sich die Teilchen jedoch ausbreiteten und berührten und so einen durchgehenden Pfad bildeten, sank der Widerstand. Diese Informationen wurden dann verwendet, um zu interpretieren, was im Inneren der Partikel vor sich ging.
Mit dem System wurden drei verschiedene Kombinationen von zwei Metallen untersucht, die in beiden Ordnungen abgeschieden wurden. Es zeigte sich, dass die Ablagerungen in Echtzeit verfolgt werden konnten und dass die Ablagerung von Gold gefolgt von Palladium insbesondere zu einer Interdiffusion führte, bei der sich Kern-Schale-Partikel mit einer der Ablagerungsreihenfolge entgegengesetzten Struktur bildeten.
"Unsere Technik bietet die Möglichkeit, die Herstellung von bimetallischen Kern-Schale-Nanopartikeln fein einzustellen", sagt Associate Professor Nakamura. "Es wird erwartet, dass diese Kontrolle zum maßgeschneiderten Design von Nanomaterialien für Anwendungen wie Wasserstoffsensorik und nachhaltige Verarbeitung führen wird."
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Originalveröffentlichung
"Restructuring in bimetallic core–shell nanoparticles: Real time observation"; Physical Review B
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