Космос стал маленьким из-за металлических нанокапель, похожих на планету

Космос стал маленьким из-за металлических нанокапель, похожих на планету

Отметка времени: 14 июля 2023 г., 3:04
Исходный узел: 2766624
14 июля 2023 г.Новости Наноуэрк) Нанокапли жидкого металла, похожие на планеты, успешно формируются с помощью новой технологии, разработанной в Университете RMIT, Австралия. Как и наша планета Земля, нанокапли имеют внешнюю «корку», жидкометаллическую «мантию» и твердое «ядро». Твердое интерметаллическое ядро ​​является ключом к достижению более однородной смеси, «запирая» одинаковое количество растворенного вещества (т.е. «целевых» металлов) в каждой легированной капле. Исследовательская группа добилась гомогенности за счет полного растворения в жидкометаллической среде, что стало возможным благодаря высокотемпературной расплавленной соли. Это открытие открывает новые возможности для исследований в области фундаментальной химии жидких металлов, а также в таких разнообразных приложениях, как гибкая электроника, материалы с фазовым переходом, катализаторы и топливные элементы, а также противомикробные препараты на основе серебра. Нанокапли, похожие на планеты, имеют внешнюю (оксидную) оболочку, жидкую (металлическую) мантию и подвешенное твердое центральное ядро ​​(интерметаллическое). Планетоподобные нанокапли имеют внешнюю (оксидную) оболочку, жидкую (металлическую) мантию и подвешенное твердое центральное ядро ​​(интерметаллическое). (Изображение: ФЛОТ)

Нанокапли жидкого металла разлетаются на части

В последние годы жидкие металлы стали многообещающим новым направлением химических исследований, действуя как новый реакционный интерфейс для растворителей и катализаторов. Они также могут действовать как функциональный материал, обладающий высокой проводимостью благодаря делокализованным металлическим связям и мягкой, текучей внутренней части. В связи с появлением новых приложений в области катализа, зондирования и наноэлектроники, основанных на достижении больших площадей поверхности, синтез нанокапель жидкого металла стал важным направлением деятельности. При легировании для конкретных целей возможно множество комбинаций, например, растворение меди (растворенного вещества) в жидком галлии (металлическом растворителе). Нанокапли жидкого металла создаются путем механического перемешивания с использованием звуковых волн в растворителе, таком как этанол или вода. Однако во время этого процесса «обработки ультразвуком» жидкометаллические сплавы имеют тенденцию «расплавляться», то есть распадаться на составляющие их металлы. Это результат предыдущих методов, пытавшихся растворить металлы при относительно низких температурах, близких к комнатной. «Так же, как в теплой воде можно растворить больше сахара, чем в холодной, так и в более теплом галлии можно растворить больше меди», — говорит ведущий автор Кайден Паркер, кандидат наук в RMIT. При низких температурах часть растворенного металла преобразуется в более крупные твердые частицы перед полным растворением. Полученная композиция имеет непостоянные, неоднородные свойства, причем состав отдельных нанокапель существенно различается. «В крайних случаях многие или даже большинство нанокапель могут быть по существу лишены растворенного металла, который в конечном итоге концентрируется лишь в очень небольшом количестве частиц», — говорит соавтор, доктор Торбен Даенеке, также из RMIT. Эта неоднородность и присутствие интерметаллических соединений создают значительные трудности для исследователей, желающих понять фундаментальные механизмы, действующие в химии жидких металлов.

Высокие температуры и соли образуют однородные, похожие на планеты нанокапли.

«Ядро – это ключ!» В новом исследовании (Расширенные функциональные материалы, “Synthesis of planet-like liquid metal nanodroplets with promising properties for catalysis”), исследователи RMIT решили проблему делегирования, значительно нагревая процесс синтеза (до 400°C), чтобы гарантировать полное растворение растворенного металла, и вводя тщательно отобранную жидкость в виде суспензии расплавленной соли. Был выбран ацетат натрия, поскольку он остается стабильным при высокой температуре и впоследствии может быть легко удален. Полученные нанокапли имеют интересную структуру, похожую на планету, состоящую из внешней (оксидной) оболочки, жидкой (металлической) мантии и подвешенного твердого центрального ядра (интерметаллида). «Нас сразу же поразило сходство нанокапель с планетой, похожей на Землю, с твердой внешней оболочкой, мантией из жидкого металла и твердым металлическим ядром», — говорит Кайден. Это твердое ядро ​​является ключом к успеху новой технологии, «запирая» одинаковое количество растворенного вещества в каждой легированной капле. «Мы также были рады видеть, что наши новые металлические нанокапли, похожие на планеты, были повсюду!» продолжает Кайден. Система была равномерно распределена, при этом выход продукции значительно увеличился. Анализ с помощью трансмиссионного электронного микроскопа (ПЭМ) подтвердил, что основная структура наблюдается почти в каждой капле. Наличие твердого ядра также способствует очень интересному использованию планетоподобных нанокапель в каталитических реакциях, «ускоряющих» химические реакции. Изученные нанокапли меди-галлия дали многообещающие результаты в электрокаталитическом окислении этанола, которые могут быть применены в топливных элементах на этаноле. Удаление ацетата натрия важно перед этой каталитической реакцией, поскольку соль легко удаляется на простых водяных банях.

Что дальше?

Многообещающая новая технология открывает потенциальное использование нанокапель с большой площадью поверхности в широком спектре будущих приложений, включая, помимо прочего, электронику или каталитические материалы. Физический масштаб нанокапель (т.е. нано, а не микро) также будет способствовать фундаментальным исследованиям химии жидких металлов, включая изучение точной природы образования связей в жидких металлах, сольватационных способностей, динамики кристаллизации и общей коллоидной химии, которая может происходят в различных системах расплавленного металла. «Планетные структуры подобны маленьким миниатюрным лабораториям, позволяющим нам изучать, как ведут себя расплавленные металлы на атомном уровне», — говорит Торбен. Хотя исследование доказало жизнеспособность нового метода с использованием системы медь-галлий, авторы ожидают, что дальнейшая работа подтвердит, что этот метод будет успешным при использовании других комбинаций систем растворенных веществ и сплавов-растворителей, начиная с серебра, цинка или висмута в жидком галлии. , олово или индий. «Ключевым преимуществом жидкометаллических систем является возможность регулировать состав металлической смеси для определенных применений в зависимости от свойств составляющих металлов», — говорит Кайден. «Например, медь — отличный электрический проводник. Когда мы объединяем медь с галлием, мы не только существенно экономим на потреблении материалов, но и открываем путь к гибкой электронике, такой как то, что вы, возможно, видели в научно-фантастических фильмах». Потенциально медь также может быть использована из-за ее тепловых свойств с потенциальным применением нанокапель на основе меди в системах рассеивания тепла. Применение нанокапельного катализа, основанное на способности меди ускорять реакции, уже было опробовано в новом исследовании с улучшенной площадью активного центра в дополнение к экономии при синтезе материала. Если посмотреть на другой металл, то серебро ранее нашло применение благодаря своим антимикробным свойствам, а в сочетании с галлием может создать более биодоступную альтернативу. «Таким образом, потенциальные возможности применения новой технологии чрезвычайно широки. Эту систему могут использовать любые отрасли промышленности, нуждающиеся в наноматериалах, состав которых варьируется в зависимости от применения», — говорит Торбен.

Отметка времени:

Больше от нанотехнология