محققان با استفاده از نوعی روش تصویربرداری نانومقیاس، ساز و کار سنتز نانوذرات آلیاژی را مشخص کرده و رهنمودهایی برای بهبود این فرآیند ارائه کردند.
تصویربرداری نانومقیاس برای درک بهتر سنتز نانوذرات آلیاژی
کاتالیزورها که معمولا دارای نانوذرات فلزی هستند، در تولید بیش از ۸۰ درصد محصولات تجاری مانند پلاستیک، سوخت و داروسازی نقش اساسی دارند. روش‌های محاسباتی به طراحی کاتالیزورهای حاوی نانوذرات متشکل از مخلوط فلزات، به نام نانوذرات آلیاژی، کمک می‌کنند. با این حال، هنوز تولید نانوذرات آلیاژی با ترکیب دلخواه در آزمایشگاه امکان‌پذیر نیست. در واقع، شیمی اساسی سنتز نانوذرات آلیاژی همچنان به‌صورت یک معما باقی‌مانده است.
برای درک بهتر این فرآیند، یک تیم تحقیقاتی در دانشگاه مریلند (UMD) به رهبری تیلور ووهل، استادیار گروه مهندسی شیمی و بیومولکولر (ChBE)، روش جدیدی را به کار برده است. روش سنتز میکروسکوپ الکترونی انتقال فاز مایع درجا (LP-TEM) به محققان اجازه می‌دهد تا از نزدیک فرآیندهای مولکولی و نانومقیاس حاکم بر چگونگی ترکیب فلزات در نانوذرات آلیاژی را در طول سنتز شیمیایی مشاهده کنند.
نتایج این پروژه در قالب مقاله‌ای در نشریه ACS Nano به چاپ رسیده است.
وانگ می‌گوید: «ما فرآیند تشکیل نانوذرات ساخته شده از طلا و مس را در زمان واقعی در مقیاس نانومتری مشاهده کردیم، نانوذراتی که کاتالیزورهای امیدوارکننده برای تبدیل CO2 به مولکول‌های آلی با ارزش هستند. با این روش، می‌توان سنتز نانوذرات را با تابش الکترون‌های با انرژی بالا به پیش ماده مایع مشاهده کرد و شرایط شیمی مرطوب را شبیه‌سازی نمود. ما دریافتیم که با این روش می‌توان سنتز شیمیایی مرطوب را تقلید کرد. البته این نتیجه تعجب‌آور بود با توجه به اینکه میزان تابش الکترون به نمونه چندین برابر بیشتر از الکترونی است نمونه در یک راکتور هسته‌ای تجاری دریافت می‌کند.»
با این نتایج، محققان اطمینان حاصل کردند که آنچه با LP-TEM مشاهده کرده‌اند، نمایانگر آن چیزی است در هنگام سنتز مواد شیمیایی مرطوب در آزمایشگاه رخ می‌دهد. شبیه‌سازی واکنش نشان داد که لیگاندهای آلی موجود در محلول، که معمولاً برای کنترل اندازه و پایداری نانوذرات استفاده می‌شوند، محلول واکنش را از آسیب دیدن توسط الکترون‌های با انرژی بالا محافظت می‌کنند.
یک مشاهده کلیدی در این مطالعه آن بود که وجود یک لیگاند آلی برای ترکیب طلا و مس در نانو ذرات آلیاژی بسیار مهم است.
ووهل می‌گوید: «ما دریافتیم که لیگاند با اتصال کووالانسی به طلا و مس باعث تشکیل یون‌های پیچیده می‌شود. تصویربرداری با وضوح اتمی و طیف‌سنجی جرمی نشان داد که این یون‌های پیچیده در واکنش سنتز، به گونه‌های میانی تبدیل می‌شوند. ما دریافتیم که این خوشه‌ها، هر کدام از چند اتم طلا و مس تشکیل شده‌اند، برای تشکیل یک آلیاژ بسیار مهم هستند.»
سپس گونه‌های میانی با هم ترکیب شده و به نانو بلورهایی با ترکیب مشابه تبدیل می‌شوند. این مسیر تشکیل نانوبلور از تصویر کلاسیک تجمع اتم‌های منفرد در یک ذره متمایز است.
محققان دریافتند که لیگاندهای آلی نقش ثانویه مهمی در تشویق تشکیل خوشه‌های پیش هسته‌ای حاوی هر دو اتم طلا و مس دارند. این یافته‌ها حاکی از آن است که کنترل روی واسطه‌های خوشه‌ای فلزی، کلید سنتز کاتالیزورهای نانوذرات آلیاژی است.
