Chimia controlată la cea mai mică scară poate crea nanoparticule goale

Vina oxidarea pentru podurile ruginite și avocado rumenit. Dar acest proces fundamental poate fi valorificat și pentru bine – iar acum oamenii de știință au obținut locuri din primul rând care le-ar putea arăta cum.

Cercetătorii au urmărit la rezoluție aproape atomică cum nanoparticulele de fier se transformau în oxid de fier – nu rugina în acest caz, ci compuși înrudiți. Această vedere în prim plan ar putea ajuta oamenii de știință să controleze mai bine oxidarea și să proiecteze materiale rezistente la coroziune sau noi tipuri de catalizatori, raportează cercetătorii în 21 aprilie. Ştiinţă.

Este prima dată când procesul de oxidare a fost observat atât de detaliat, spune Andreu Cabot, fizician la Institutul Catalonia de Cercetare Energetică din Barcelona, ​​care nu a făcut parte din studiu.

Când un metal se oxidează, atomii săi se amestecă și se amestecă cu atomii de oxigen pentru a crea un nou material. Acest proces este probabil cel mai faimos pentru crearea de rugina, care se descuamează și se corodează. Dar fierul se poate oxida într-o varietate de moduri, dintre care unele sunt utile.

De exemplu, chimistul Yugang Sun și colegii săi de la Universitatea Temple din Philadelphia încearcă să creeze nanoparticule goale de oxid de fier care ar putea servi drept catalizatori pentru a accelera reacțiile chimice sau ca vase pentru a furniza medicamente sau a stoca energie sub formă chimică. Dar realizarea acestor „nanoshells” din nanoparticule de fier necesită un control precis asupra procesului de oxidare.

Dacă atomii de oxigen își trec drum într-o nanoparticulă de fier mai repede decât pot difuza atomii de fier, acea nanoparticulă devine o minge strânsă, solidă, spune Sun. Dacă fierul se difuzează mai repede decât intră oxigenul, pe de altă parte, devine sfera goală pe care o dorește laboratorul Soarelui.

Controlul acestui proces este dificil, deoarece nu a fost clar cum se formează aceste învelișuri la nivel atomic, spune Sun. Oamenii de știință nu au reușit să urmărească cum se întâmplă, deoarece tehnicile de microscopie de mare putere pot perturba reacția sau pot arăta acțiunea în doar două dimensiuni.

Echipa lui Sun a încercat o abordare diferită pentru a observa reacția, trăgând cu raze X multe nanoparticule identice de fier suspendate într-un lichid. De fiecare dată când razele X lovesc un material diferit – trecând de la lichid la solid, de exemplu – s-au împrăștiat.

Povestea continuă după grafică

Urmărind modul în care razele X au respins multe nanoparticule de fier mici, uniforme, cercetătorii au reușit să reconstruiască unde se îndreptau atomii individuali, pe măsură ce particulele s-au oxidat în cochilii goale în decurs de câteva ore.

Cercetătorii au urmărit cum fierul s-a mutat din centrul nanoparticulei pentru a reacționa cu oxigenul, formând inițial multe găuri mici în interiorul nanoparticulei. În cele din urmă, acele spații goale s-au fuzionat împreună pentru a forma un gol mare în mijlocul nanoparticulei.

„Impactul acestei lucrări este mai mult decât gol [nanoparticles]”, spune Yadong Yin, un chimist la Universitatea din California, Riverside, care nu a fost implicat în cercetare. Tehnica imagistică în sine va fi o modalitate utilă de a studia modul în care se formează alte tipuri de nanoparticule – ceva ce oamenii de știință încă nu înțeleg bine, spune el. Poate fi folosit și pentru a obține informații despre alte tipuri de oxidare.