Wetenschappers in Nieuw-Zeeland en Australië die op het niveau van atomen werkten, creëerden iets onverwachts: kleine metalen sneeuwvlokken.
Waarom is dat belangrijk? Omdat het overhalen van individuele atomen om samen te werken leidt tot een revolutie in engineering en technologie via nanomaterialen. (En sneeuwvlokken maken is cool.)
Structuren op nanoschaal kunnen elektronische fabricage ondersteunen, materialen sterker en toch lichter maken, of helpen bij het opruimen van het milieu door zich te binden aan gifstoffen.
Om metallische nanokristallen te maken, hebben Nieuw-Zeelandse en Australische wetenschappers geëxperimenteerd met gallium, een zacht, zilverachtig metaal dat wordt gebruikt in halfgeleiders en, ongebruikelijk, vloeibaar wordt net boven kamertemperatuur.
Hun resultaten werden zojuist gerapporteerd in het tijdschrift Wetenschap.
Professor Nicola Gaston en research fellow Dr. Steph Lambie, beiden van Waipapa Taumata Rau, University of Auckland, en Dr. Krista Steenbergen van Te Herenga Waka, Victoria University of Wellington, werkten samen met collega’s in Australië onder leiding van professor Kourosh Kalantar-Zadeh aan de Universiteit van Nieuw-Zuid-Wales.
Het Australische team werkte in het lab met nikkel, koper, zink, tin, platina, bismut, zilver en aluminium. Metalen werden bij hoge temperaturen opgelost in gallium. Eenmaal afgekoeld kwamen de metaalkristallen tevoorschijn terwijl het gallium vloeibaar bleef.
Het Nieuw-Zeelandse team, onderdeel van het MacDiarmid Institute for Advanced Materials and Nanotechnology, een nationaal Centre of Research Excellence, voerde simulaties uit van moleculaire dynamica om uit te leggen waarom verschillend gevormde kristallen uit verschillende metalen tevoorschijn komen.
“Wat we leren is dat de structuur van het vloeibare gallium erg belangrijk is”, zegt Gaston. “Dat is nieuw omdat we meestal denken dat vloeistoffen geen structuur hebben of slechts willekeurig gestructureerd zijn.”
Interacties tussen de atomistische structuren van de verschillende metalen en het vloeibare gallium zorgen ervoor dat verschillend gevormde kristallen tevoorschijn komen, toonden de wetenschappers aan.
De kristallen omvatten kubussen, staven, zeshoekige platen en de zinken sneeuwvlokvormen. De zesvertakte symmetrie van zink, waarbij elk atoom wordt omringd door zes buren op gelijke afstanden, verklaart het sneeuwvlokontwerp.
“In tegenstelling tot top-down benaderingen voor het vormen van nanostructuren – door materiaal weg te snijden – is deze bottom-up benadering afhankelijk van de zelfassemblage van atomen”, zegt Gaston. “Dit is hoe de natuur nanodeeltjes maakt, en het is zowel minder verspillend als veel nauwkeuriger dan methoden van bovenaf.”
Ze zegt dat het onderzoek een nieuw, onontgonnen pad heeft geopend voor metalen nanostructuren. “Er is ook iets heel cools aan het maken van een metalen sneeuwvlok.”
Meer informatie:
Shuhada A. Idrus-Saidi et al, Vloeibare metaalsynthese-oplosmiddelen voor metaalkristallen, Wetenschap (2022). DOI: 10.1126/science.abm2731
Tijdschrift informatie:
Wetenschap
Aangeboden door de Universiteit van Auckland