Nanokryštály vyrobené z amalgámu dvoch kovov.

Výskumníkom z ETH sa podarilo vyrobiť nanokryštály vyrobené z dvoch rôznych kovov pomocou amalgamačného procesu, pri ktorom tekutý kov preniká do pevného. Táto nová a prekvapivo intuitívna technika umožňuje vyrábať obrovské množstvo intermetalických nanokryštálov s vlastnosťami prispôsobenými pre rôzne aplikácie.

Nanokryštály sú guľôčky o veľkosti nanometrov pozostávajúce z pravidelne usporiadaných atómov. Vďaka svojim výhodným vlastnostiam sú na vzostupe vo viacerých technológiách. Polovodičové nanokryštály sa napríklad používajú na televíznych obrazovkách novej generácie. V poslednej dobe si takzvané intermetalické nanokryštály, v ktorých sa dva rôzne kovy spájajú a vytvárajú kryštálovú mriežku, preslávili, pretože sľubujú vylepšené a jedinečné aplikácie. Tieto aplikácie siahajú od katalýzy po ukladanie údajov a medicínu.

Teoreticky existujú desiatky tisíc možných kombinácií kovov, ktoré by mohli tvoriť také nanokryštály, so zodpovedajúcim veľkým počtom rôznych materiálových vlastností. Doposiaľ však bolo možné vyrobiť nanokryštály iba z niekoľkých takýchto párovaní. Tím vedcov z ETH Zurich, vedený Maksymom Yaremom a Vanessou Woodovou z Ústavu pre elektroniku teraz vyvinul novú techniku, ktorá v zásade umožňuje realizovať takmer všetky možné kombinácie intermetalických nanokryštálov. Ich výsledky boli nedávno publikované vo vedeckom časopise Science Advances.

Prekvapivo intuitívna metóda

„Naša metóda je jednoduchá a intuitívna – v skutočnosti taká intuitívna, že sme boli prekvapení, že nikto nemal tento nápad pred nami,“ hovorí Yarema. V bežných postupoch na výrobu nanokryštálov vyrobených z jedného kovu sa atómy kovu zavádzajú v molekulárnej forme, napríklad ako soli, do roztoku, v ktorom sa nanokryštály potom tvoria. „Teoreticky sa to dá urobiť aj s dvoma rôznymi kovmi, ale v praxi je ťažké alebo dokonca nemožné kombinovať v reaktore výrazne odlišné kovy,“ vysvetľuje Yarema. Vedci z ETH sa preto uchýlili k postupu, ktorý sa používa už stáročia: amalgamácia, konkrétny druh tavenia alebo miešania kovov.

Tekuté kovy

Amalgámy sú obzvlášť známe zo zubného lekárstva, kde sa používajú ako výplňový materiál, a tiež z ťažby zlata. V oboch prípadoch sa kvapalná ortuť pridáva na rozpustenie ostatných kovov (do zubných výplní zmes medi, zinku a striebra). Amalgamácia však funguje aj s akýmkoľvek iným tekutým kovom. Okrem ortuti, ktorá je kvapalná aj pri izbovej teplote, existuje množstvo kovov s relatívne nízkymi teplotami topenia, ako je napríklad gálium (30 stupňov Celzia), indium (157 stupňov) alebo cín (232 stupňov).

Amalgamačný prístup pre nanokryštály

Yarema a jeho kolegovia používajú amalgamačný prístup v nanoúrovni. Reakcia začína disperziou nanokryštálov obsahujúcich jeden kov, napríklad striebro. Potom sa atómy druhého kovu – povedzme gália – pridajú v molekulárnej forme (v tomto prípade ako amidy, zlúčenina uhlíka, vodíka a dusíka), pričom sa zmes zahreje na približne 300 stupňov.

Vysoká teplota spočiatku spôsobí rozpad chemických väzieb v amide gália, čo umožní akumulácii tekutého gália na nanokryštáloch striebra. Teraz sa začína samotný proces amalgamácie, počas ktorého sa tekuté gálium vkráda do pevného striebra. Časom sa vytvorí nová kryštálová mriežka, v ktorej sú nakoniec pravidelne usporiadané atómy striebra a gália. Potom sa všetko opäť ochladí a po desiatich minútach sú nanokryštály pripravené. „Sme prekvapení, ako efektívne je zlúčenie v nanorozmeroch. Mať jednu zložku tekutého kovu je kľúčom k rýchlemu a rovnomernému legovaniu v každom nanokryštáli,“ hovorí Yarema.

Kontrolovateľný proces

Rovnakou technikou vedci už vyrobili rôzne intermetalické nanokryštály, ako je zlato-gálium, meď-gálium a paládium-zinok. Samotný proces amalgamácie je možné presne riadiť. Prostredníctvom počtu sekundárnych atómov, zavedených do roztoku ako amidy, je možné presne kontrolovať podiel kovov v nanokryštáloch. Na príklade zlatého gália (chemické symboly Au a Ga) vedci ukázali, že týmto spôsobom je možné vyrábať nanokryštály s veľmi odlišnými pomermi, napríklad 1: 2 (AuGa2), 1: 1 (AuGa) alebo 7: 2 (Au7Ga2). Veľkosť konečných intermetalických nanokryštálov je možné tiež presne predpovedať z veľkosti počiatočných nanokryštálov a nárastu veľkosti v dôsledku druhého kovu.

Nanokryštály na mieru pre aplikácie

Vedci očakávajú veľký potenciál technologických aplikácií vďaka presnej kontrolovateľnosti zloženia a veľkosti nanokryštálov a možnosti kombinovať kovy takmer podľa vlastného uváženia. „Pretože amalgamačná syntéza nanokryštálov umožňuje toľko nových kompozícií, nemôžeme sa dočkať, až ich uvidíme pracovať pri vylepšenej katalýze, plazmonike alebo lítium-iónových batériách,“ hovorí Yarema. Katalyzátory vyrobené z nanokryštálov môžu byť napríklad presne prispôsobené a optimalizované pre konkrétny chemický proces, ktorý majú urýchliť.

NanoWorld – Magazín zo sveta nanotechnológií

Zdroj: nano-magazine.com