Ученые нашли «универсальные» наночастицы, которые пригодны и в качестве катализатора, и для треккинга реакции

Схематическое изображение процесса преобразования наночастиц из наностержня с квадратным сечением в структуры

Схематическое изображение процесса преобразования наночастиц из наностержня с квадратным сечением в структуры "рисоподобной" и "гантелеобразной" формы. (кликните картинку для увеличения)

30.05.2014 (21:33)
Просмотров: 1355
Рейтинг: 0.00
Голосов: 0

Теги:
наночастица, катализатор, треккинг,
Технология >> Нанотехнология






Ваша оценка
-2 -1 0 1 2
Возможности, которые наночастицы открывают для ученых с точки зрения катализа и резонансного усиления методик зондирования различных реакций известны уже несколько десятилетий. Но до сих пор было трудно совместить обе функции в рамках одной наноструктуры из-за разницы характерных размеров частиц, необходимых для оптимизации каждого из процессов. Но благодаря работе совместной группы ученых из США и Китая, была обнаружена новая форма наноструктур, которая позволяет получить преимущества как при катализе, так и при наблюдении за реакцией. Открытие предоставляет ученым новые пути отслеживания динамики катализируемых химических реакций.

Гигантское поверхностное комбинационное рассеяние, использующее локальные особенности электромагнитного поля для усиления сигналов, представляет собой мощный инструмент для идентификаций промежуточных стадий и отслеживания динамики химических реакций. Для использования этой методики необходимы наночастицы размерами около 100 нм, поскольку только они имеют настраиваемые оптические резонансы, которые используются для усиления гигантского комбинационного рассеяния. В отличие от этих наночастиц, структуры, хорошо продемонстрировавшие себя в качестве катализаторов, имеют размеры не более 5 нм. Таким образом, использовать одни и те же частицы в качестве катализатора самой реакции и вспомогательного компонента методики наблюдения до сих пор было невозможно.

В рамках своей последней работы совместная группа ученых из Nantong University (Китай), а также Rice University и University of South Carolina (США) опровергла это утверждение, предложив наноструктуры «двойного действия». Секрет такой унификации – в травлении определенных областей наночастиц, имеющих достаточно большие размеры для участия в усилении комбинационного рассеяния. Созданные таким образом грани имеют высокую плотность перегибов, ступеней и выступов атомарного размера, которые выступают в роли активных центров для разрыва химических связей (т.е. данные наночастицы одновременно работают в качестве эффективного катализатора).

В своих экспериментах ученые работали с золотыми наностержнями, имеющими в сечении квадратную форму. Наностержни были покрыты серебром и в ходе эксперимента травились до «рисоподобной» и «гантелеобразной» форм. Стоит отметить, что основную функцию в конструкции выполняло серебро: оно имеет очень сильные и хорошо настраиваемые оптические резонансы. Однако оно химические нестабильно, поэтому команде пришлось добавить в наноструктуры золотое «ядро».

Проведенная «тестовая» реакция показала, что «гантелеобразные» наночастицы являются более совершенными катализаторами. Они увеличивали скорость проведенной тестовой реакции в 10 раз активнее, нежели наночастицы, имеющие «рисоподобную» форму, и примерно в 100 раз активнее, чем наночастицы в форме стержня с квадратным сечением.

Ключом к усилению сигналов гигантского комбинационного рассеяния стали плазмонные резонансы – коллективные колебания электронов в наночастицах в ответ на свет, которые усиливают локальное электромагнитное поле. Наночастицы благородных металлов, таких как серебро и золото, имеют сильные хорошо настраиваемые плазмонные резонансы, но их высокая поверхностная энергия усложняет процесс изготовления наночастиц с высокой степенью огранки. Чтобы преодолеть это препятствие, ученым пришлось искать правильный баланс химических реагентов для контроля процесса травления. Стоит отметить, что в процессе травления команда замеряла спектры и получала изображения наночастиц при помощи сканирующего электронного микроскопа, одновременно проверяя ожидаемые параметры наночастиц, рассчитанные при помощи численного алгоритма. Измерения показали хорошее количественное согласие численной модели и практики, что говорит о достаточно детальном описании (и понимании) процесса эволюции наночастиц в ходе травления.

В ближайшем будущем исследователи планируют рассмотреть другие каталитические материалы, которые могут использоваться для подобной работы с химическими реакциями.

Подробные результаты работы опубликованы в журнале Nano Letters.

Нравится


Екатерина Баранова

Также по теме:

Источники:



самое популярное


Rambler's Top100