تأثیر اندازه بر ساختار نانوذرات توخالی

مطالعات جدید در دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی، نشان
می‌دهد که اندازه‌ی ذرات نقش مهمی در تعیین ساختار نانوذرات توخالی ایفا
می‌کنند. محققان این دانشگاه مطالعات خود را روی نانوذرات نیکل که دارای
خواص کاتالیستی و مغناطیسی جالبی هستند و می‌توانند در زمینه‌های زیادی
نظیر تولید انرژی و نانوالکترونیک کاربرد داشته باشند، متمرکز کردند.

نتیجه‌ی این مطالعه، قابلیت کاربردی زیادی در ساخت‌و‌ساز نانومقیاس دارد و
می‌تواند مبنای کارهای بیشتر روی کاربرد این مواد در ضبط داده‌های مغناطیسی
با دانسیته‌ی بالا و کاتالیست‌های کاراتری شود که برای محصولات شیمیایی،
تصفیه‌ی آب و تولید انرژی مفید هستند.

موضوع بحث، اکسید کردن نانوذرات نیکل است. اگر یک نانوذره‌ی نیکل را در
دمای بالا و برای مدت محدود در معرض اکسیژن قرار داده و به‌طور جزئی اکسید
کنیم، پوسته‌ی متراکمی اکسید نیکل اطراف ماده را می‌پوشاند؛ ولی اگر هسته ی
اولیه برای مدت طولانی‌تری در معرض اکسیژن و گرما قرار گیرد، عمل اکسید شدن
کاملاً صورت می‌گیرد. در این حالت پوسته‌ی اکسید نیکل باقی مانده و هسته‌ی
درونی به فضای خالی تبدیل می‌شود و در نتیجه، یک نانوذره‌ی اکسید نیکل
توخالی ایجاد می‌شود. به این تبدیل، اثر نانومقیاس کیرکندال می‌گویند.

تصاویر TEM نانوذرات NiO متخلخل یا توخالی در
اندازه‌های مختلف

آنچه محققان دانشگاه NC State در این مطالعه یافتند،
این بود که اندازه‌ی هسته‌ی نیکل اولیه، نقش مهمی در ساختار ذرات حاصل
دارد؛ برای مثال، در نانوذرات کوچک‌تر نیکل (با قطر کمتر از ۳۰ نانومتر) در
حین فرایند اکسید کردن، حفره‌ی منفرد به‌ همراه هسته‌ی نامتقارن نیکل در
درون پوسته‌ی اکسیدی حاصل می‌شود و با ادامه‌ی فرایند، هسته‌ی نیکل
به‌تدریج کوچک‌تر می‌شود. این پدیده از این نظر اهمیت دارد که باعث می‌شود
پوسته‌ی اکسید نیکل در طرف مماس با هسته‌، ضخیم‌تر از طرف دیگر شود.

ذرات ۲۶ نانومتری نیکل که در دمای ۳۰۰ درجه‌ی
سانتیگراد به مدت ۹۰ تا ۲۱۰ دقیقه تحت فرایند اکسید شدن قرار گرفتند

نانوذرات بزرگ‌تر نیکل، رفتار کاملاً متفاوتی را نشان
می‌دهند. محققان نانوذراتی با قطر ۹۶ نانومتر را آزمایش و مشاهده کردند که
طی فرایند اکسید شدن در این ذرات، چند حفره درون هسته ایجاد می‌شود؛ در
حالی که هسته کاملاً به‌وسیله‌ی پوسته‌یاکسید نیکل احاطه شده‌است. به عبارت
دیگر، این فرایند منجر به پیدایش حباب‌هایی داخل هسته می‌شود که به‌وسیله ی
دیواره‌ای از نیکل باقی‌مانده، از هم جدا شده‌اند. اسکلت و ساختار این
حباب‌ها حتی با پیشرفت عمل اکسید شدن هم باقی می‌مانند.