Nanokristallen gemaakt van amalgaam van twee metalen

Onderzoekers van ETH zijn erin geslaagd om nanokristallen te produceren die zijn gemaakt van twee verschillende metalen met behulp van een samensmeltingsproces waarbij een vloeibaar metaal een vast metaal binnendringt. Deze nieuwe en verrassend intuïtieve techniek maakt het mogelijk om een ​​breed scala aan intermetallische nanokristallen te produceren met op maat gemaakte eigenschappen voor diverse toepassingen.

Nanokristallen zijn bolletjes ter grootte van een nanometer die bestaan ​​uit regelmatig gerangschikte atomen. Vanwege hun gunstige eigenschappen zijn ze in opkomst in verschillende technologieën. Zo worden halfgeleider nanokristallen gebruikt in nieuwe generatie televisieschermen. Meer recent hebben zogenaamde intermetallische nanokristallen, waarin twee verschillende metalen samen een kristalrooster vormen, naam gemaakt omdat ze verbeterde en unieke toepassingen beloven. Die toepassingen variëren van katalyse tot dataopslag en medicijnen.

In theorie zijn er tienduizenden mogelijke combinaties van metalen waaruit dergelijke nanokristallen kunnen bestaan, met een navenant groot aantal verschillende materiaaleigenschappen. Tot nu toe is het echter alleen mogelijk geweest om nanokristallen te maken van een paar van dergelijke combinaties. Een team van onderzoekers van ETH Zürich onder leiding van Maksym Yarema en Vanessa Wood van het Institute for Electronics heeft nu een nieuwe techniek ontwikkeld waarmee in principe bijna alle mogelijke combinaties van intermetallische nanokristallen kunnen worden gerealiseerd. Hun resultaten zijn onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang.

Verrassend intuïtieve methode

“Onze methode is eenvoudig en intuïtief – zo intuïtief zelfs dat we verrast waren dat niemand dit idee voor ons had gehad,” zegt Yarema. Bij conventionele procedures voor het maken van nanokristallen uit een enkel metaal worden de metaalatomen in moleculaire vorm, bijvoorbeeld als zouten, in een oplossing gebracht waarin de nanokristallen zich vervolgens vormen. “Theoretisch kan dat ook met twee verschillende metalen, maar in de praktijk is het moeilijk of zelfs onmogelijk om duidelijk verschillende metalen in de reactor te combineren,” Yarema legt uit. Daarom namen de ETH-wetenschappers hun toevlucht tot een procedure die al eeuwen wordt gebruikt: amalgamatie, een bepaald soort fusie of vermenging van metalen.

Vloeibare metalen

Amalgamen zijn vooral bekend uit de tandheelkunde, waar ze als vulmateriaal worden gebruikt, en ook uit de goudwinning. In beide gevallen wordt vloeibaar kwik toegevoegd om andere metalen op te lossen (voor tandvullingen een mengsel van koper, zink en zilver). Amalgamatie werkt echter ook met elk ander vloeibaar metaal. Naast kwik, dat zelfs bij kamertemperatuur vloeibaar is, zijn er een aantal metalen met een relatief laag smeltpunt, zoals gallium (30 graden Celsius), indium (157 graden) of tin (232 graden).

Samensmeltingsaanpak voor nanokristallen

Yarema en zijn collega’s gebruiken de samensmeltingsaanpak op nanoschaal. De reactie begint met het dispergeren van nanokristallen die een enkel metaal bevatten, bijvoorbeeld zilver. Vervolgens worden de atomen van het tweede metaal, bijvoorbeeld gallium, toegevoegd in moleculaire vorm (in dit geval als amiden, een verbinding van koolstof, waterstof en stikstof), terwijl het mengsel wordt verwarmd tot ongeveer 300 graden.

Aanvankelijk zorgt de hoge temperatuur ervoor dat de chemische bindingen in het gallium-amide worden verbroken, waardoor vloeibaar gallium zich kan ophopen op de zilveren nanokristallen. Nu begint het eigenlijke samensmeltingsproces, waarbij vloeibaar gallium in het vaste zilver kruipt. In de loop van de tijd wordt een nieuw kristalrooster gevormd, waarin uiteindelijk regelmatig zilver- en galliumatomen worden gerangschikt. Daarna is alles weer afgekoeld en na tien minuten zijn de nanokristallen klaar. “We staan ​​er versteld van hoe efficiënt de samensmelting is op nanoschaal. Het hebben van één vloeibaar metaalcomponent is de sleutel tot snelle en uniforme legering binnen elk nanokristal,” zegt Yarema.

Controleerbaar proces

Met dezelfde techniek hebben de onderzoekers al verschillende intermetallische nanokristallen geproduceerd, zoals goud-gallium, koper-gallium en palladium-zink. Het fusieproces zelf is nauwkeurig te sturen. Door het aantal secundaire atomen, dat als amiden in de oplossing wordt gebracht, kan het aandeel van de metalen in de nanokristallen nauwkeurig worden gecontroleerd. Aan de hand van goud-gallium (chemische symbolen Au en Ga) hebben de onderzoekers aangetoond dat op deze manier nanokristallen met zeer verschillende verhoudingen kunnen worden geproduceerd, zoals 1:2 (AuGa₂), 1:1 (AuGa) of 7:2 (Au₇Ga₂). De grootte van de uiteindelijke intermetallische nanokristallen kan ook precies worden voorspeld uit de grootte van de initiële nanokristallen en de toename in grootte als gevolg van het tweede metaal.

Op maat gemaakte nanokristallen voor toepassingen

De onderzoekers verwachten een groot potentieel voor technologische toepassingen vanwege de exacte beheersbaarheid van de samenstelling en grootte van de nanokristallen en de mogelijkheid om de metalen bijna naar believen te combineren. “Omdat de samensmelting van nanokristallen zoveel nieuwe composities mogelijk maakt, kunnen we niet wachten om ze aan het werk te zien in verbeterde katalyse, plasmonica of lithium-ionbatterijen,” zegt Yarema. Katalysatoren van bijvoorbeeld nanokristallen kunnen precies worden afgestemd en geoptimaliseerd voor een bepaald chemisch proces dat ze zouden moeten versnellen.