نقش نفوذ سطحی در تعیین شکل نانوذرات کاتالیستی

با استفاده از تست‌های آزمایشگاهی، محققان روی فرآیند نفوذ سطحی، حرکت اتم‌ها از یک نقطه به نقطه دیگری در یک سطح نانومقیاس، تحقیقاتی انجام داده‌اند. این نفوذ سطحی نقش اصلی را در تعیین شکل نهایی نانوذرات دارد. این موضوع اهمیت زیادی در بهینه کردن نانوذرات به‌خصوص در حوزه کاتالیست‌ها دارد.

نتایج یافته‌های اخیر محققان درک بهتری از فرآیند نفوذ اتم‌ها ارائه می‌کند. برای کنترل این فرآیند می‌توان از دما، نرخ نشست اتم یا ایجاد سد ساختاری استفاده کرد. یونان زای از موسسه فناوری جرجیا با همکاری محققانی از دانشگاه اموری روی این پروژه کار می‌کنند. زای می‌گوید ما قصد داریم سیستمی طراحی کنیم که به‌واسطه آن بتوان نانوذراتی با شکل از پیش تعیین شده تولید کرد. از این نانوذرات می‌توان در حوزه‌های مختلف استفاده کرد. اساسا این که نانوذرات چگونه شکل می‌گیرند موضوع مهمی است. نتایج این پژوهش در قالب مقاله‌ای در Proceedings of the National Academy of Sciences PNAS  به چاپ رسیده است. 

هیچ کس پیش از این روی نقش نفوذ سطحی نانو ذرات در تعیین شکل نهایی نانوذرات تحقیق نکرده بود. افزودن شدن چند اتم به گوشه‌های نانوذرات مکعبی پالادیم موجب تشکیل بازو در این نانوذرات و افزایش فعالیت کاتالیستی آن می‌شود. وجود لبه‌های محدب می‌تواند عملکرد کاتالیستی نانوذرات را بهبود دهد. اما چگونگی ایجاد این نانوذرات برای دانشمندان چالش برانگیز است.

در این پژوهش محققان دما را در فرآیند رشد نانوذرات کاتالیستی تغییر دادند همچنین نرخ نشست اتمی نیز در این سیستم تغییر داده شد. نتایج نشان داد که با افزایش دما نرخ نفوذ افزایش می‌یابد و اتم‌ها می‌توانند سریع‌تر در سطح نانوذرات حرکت کنند. نتایج تصاویر TEM نشان داد که نسبت نرخ نشست اتمی به نرخ نفوذ می‌تواند شکل نهایی نانوذرات را تعیین کند. زمانی که این نسبت بالای یک است اتم ترجیح می‌دهند همان‌ جا که هستند باقی بمانند و اگر کمتر از یک باشد اتم‌ها ترجیح می‌دهند که حرکت کنند.

این گروه به بررسی تاثیر نفوذ روی ذرات دو فلزی پرداختند که در آنها از پالادیم و پلاتین استفاده شده بود. ترکیب این دو فلز اهمیت زیادی دارد زیرا پالادیم از پلاتین ارزان‌تر است و اگر بتوان نانوذرات تولید کرد که مرکز آن پالادیم و پوسته آن پلاتین باشد، هزینه تولید کاتالیست پایین می‌آید.