Это было определено с помощью метода малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (SAXS) на BESSY II. Тщательное исследование с помощью электронного микроскопа (ПЭМ) подтвердило их результат. «Исследования этого явления в настоящее время продолжаются, потому что мы убеждены, что такие нанокластеры пригодны в качестве катализаторов, будь то в топливных элементах, при фотокаталитическом расщеплении воды или для других важных реакций в химической инженерии», — объясняет д-р Армин Холл из HZB. Результаты только что опубликованы в двух рецензируемых международных академических журналах.«Особенностью нового процесса является то, что он чрезвычайно прост и работает с экологически чистым и недорогим растворителем», — объясняет профессор Клаус Радеманн из Берлинского университета.
Растворитель на самом деле состоит из двух порошков, которые скорее можно ожидать найти в сельском хозяйстве, чем в исследовательской лаборатории: добавка в корм для цыплят (хлорид холина, он же витамин B) и мочевина. Несколько лет назад британские коллеги обнаружили, что при смешивании двух порошков образуется прозрачная жидкость, способная растворять оксиды металлов и тяжелые металлы, так называемый глубокий эвтектический растворитель (DES).
Затем исследователи в Берлине расположились над золотой фольгой из растворителя, которую они могли бомбардировать ионами благородного газа, чтобы отделить отдельные атомы золота. Так изначально образовывались наночастицы, которые распределялись в растворителе.Два удивительных результата: наночастицы остаются маленькими и образуют кластеры.
Ученые пришли к выводу, что чем дольше длилась бомбардировка (распыление) золотой фольги, тем крупнее могли стать наночастицы. Однако этого не произошло: частицы перестали расти на расстоянии 5 нанометров.
Вместо этого за более длительное время распыления образуется все большее количество наночастиц. Второй сюрприз: эти наночастицы не распределялись в жидкости равномерно, а вместо этого самоорганизовывались в небольшие группы или кластеры, которые могли состоять из двенадцати наночастиц. Конечно, такого рода наблюдения нелегко провести под микроскопом, но вместо этого требуется косвенный, статистический подход: «Используя малоугловое рассеяние рентгеновских лучей на BESSY II, мы не только смогли установить, что наночастицы находятся повсюду. пять нанометров в диаметре, но также измерить расстояние между ними. На основе этих измерений мы обнаружили, что наночастицы объединяются в кластеры », — объясняет Хоэлл.
Когерентное изображение с помощью моделирования, малоуглового рассеяния и электронной микроскопии«Мы прогнали компьютерные модели до того, как наночастицы могут распределяться в растворе, чтобы лучше понять результаты измерений, а затем сравнили результаты моделирования с результатами малоуглового рассеяния рентгеновских лучей», — объясняет доктор Викрам. Сингх Рагхуванши, который работает постдоком в HU Berlin, а также в HZB. Изображение с криогенного просвечивающего электронного микроскопа, подготовленное коллегами из HU, подтвердило их выводы. «Но мы не смогли бы достичь этого результата, используя только электронную микроскопию, поскольку она может отображать только детали и срезы образца», — подчеркнул Хоэлл. «Малоугловое рассеяние рентгеновских лучей необходимо для измерения общих тенденций и средних значений!»
Растворитель имеет решающее значениеИсследователям очевидно, что специальный DES-растворитель играет важную роль в этом процессе самоорганизации: различные взаимодействия между ионами растворителя и частицами золота приводят, во-первых, к тому, что наночастицы достигают размера всего в несколько тысяч атомов, и, во-вторых, они в некоторой степени взаимно притягиваются, но очень слабо, так что возникают небольшие кластеры. «Однако мы знаем, что такие небольшие кластеры наночастиц особенно эффективны в качестве катализаторов химических реакций, которые нам нужны: многократное увеличение скорости реакции только за счет расположения частиц уже было продемонстрировано», — говорит Радеманн.