Новое исследование Университета штата Северная Каролина показывает, что размер играет ключевую роль в определении структуры некоторых полых наночастиц. Исследователи сосредоточились на наночастицах никеля, обладающих интересными магнитными и каталитическими свойствами, которые могут найти применение в таких различных областях, как производство энергии и наноэлектроника..
«Принципы, которые мы раскрываем здесь, имеют большой потенциал для нанопроизводства - создания материалов с очень маленькими характеристиками, которые можно использовать во многих областях, от электроники до медицины», - говорит доктор. Джо Трейси, доцент кафедры материаловедения и инженерии в штате Северная Каролина и соавтор исследования. «Это исследование улучшает наше понимание полых наночастиц и является основой для будущей работы по применению магнитной записи сверхвысокой плотности и более эффективных катализаторов, которые полезны для химического производства, обработки отходов и производства энергии».
Речь идет об окислении наночастиц никеля. Если вы начнете с «сердцевинного» куска никеля и окислите его, подвергая воздействию кислорода при высоких температурах, структура материала изменится. Если материал частично окислен - подвергается воздействию кислорода и высоких температур в течение ограниченного времени - вокруг материала образуется твердая оболочка из оксида никеля.
Если материал подвергается воздействию тепла и кислорода в течение более длительного периода времени, происходит дальнейшее окисление. Внешняя оболочка остается, но никель выносится из ядра, оставляя пустоту. Если материал полностью окислен, создается большая пустота, оставляя оболочку из оксида никеля фактически полой. Это превращение твердых наночастиц в полые известно как «наноэффект Киркендалла».
Но исследователи штата Северная Каролина обнаружили, что размер никелевого ядра также играет ключевую роль в структуре этих частиц. Например, в меньших наночастицах никеля, ядра которых имеют диаметр менее 30 нанометров (нм), во время окисления внутри оболочки образуется одна пустота. В результате получается асимметричное ядро из никеля с единственной пустотой, растущей на одной стороне ядра. Оставшееся ядро сжимается по мере продолжения процесса окисления. Это важно отчасти потому, что оболочка из оксида никеля становится все толще на стороне, граничащей с сердцевиной. Чем больше ядро (в пределах 30 нм), тем толще становится сторона оболочки. Другими словами, вы получаете оболочку из оксида никеля, которая с одной стороны может быть значительно толще, чем с другой.
Однако исследователи обнаружили, что более крупные наночастицы никеля делают нечто совершенно иное. Исследователи протестировали наночастицы с никелевыми ядрами диаметром 96 нм и обнаружили, что процесс окисления в этих наночастицах приводит к образованию множества пустот в ядре, хотя само ядро остается полностью окруженным оболочкой из оксида никеля. Этот процесс фактически привел к созданию пузырей по всему сердечнику. «Скелеты» этих пузырьков все еще оставались, даже после полного окисления, создавая по существу полую оболочку, которая все еще была пересечена некоторыми остатками никелевого ядра.
«Это многое говорит нам о том, как создавать наноразмерные структуры с использованием наноразмерного эффекта Киркендалла», - говорит Трейси. «Это строительный блок для будущих исследований в этой области».
Исследование опубликовано в журнале ACS Nano. Исследование финансировалось Национальным научным фондом и штатом Северная Каролина, и его соавтором является Трейси, студентка штата Северная Каролина Джастин Рейлсбэк, доктор философии штата Северная Каролина. студент Аарон Джонстон-Пек и бывший научный сотрудник штата Северная Каролина, доктор наук. Цзюньвэй Ван.
Кафедра материаловедения и инженерии является частью Инженерного колледжа штата Северная Каролина.