Cientistas da Universidade Nacional de Cingapura observam a formação em tempo real de estruturas ocas na reação de substituição galvânica (GR) entre prata e ouro com resolução nanométrica, obter insights sobre os mecanismos por trás das transformações estruturais.

Nanopartículas bimetálicas ocas têm uma alta proporção de área de superfície para volume e são boas candidatas para o desenvolvimento de materiais catalíticos porque permitem mais interações entre os reagentes e a superfície do catalisador. A reação GR é uma abordagem amplamente utilizada para a formação de tais nanopartículas. Durante a reação, mudanças estruturais são impulsionadas por uma diferença no potencial eletroquímico entre dois metais diferentes em uma solução, o que leva à corrosão preferencial de um metal sobre o outro. Contudo, ainda é um desafio produzir nanopartículas bimetálicas ocas com tamanho e forma uniformes por síntese química porque os papéis precisos dos processos de crescimento permanecem obscuros.

Uma equipe liderada pelo Prof Utkur MIRSAIDOV do Departamento de Física e do Departamento de Ciências Biológicas, A NUS ganhou uma compreensão mecanicista das mudanças estruturais durante a formação de nanocubos de prata ocos à medida que reagem com os íons de ouro em uma solução. Isso foi conseguido usando microscopia eletrônica de transmissão de célula líquida (LC-TEM), que é uma nova técnica em microscopia eletrônica de transmissão que permite aos cientistas examinar processos em líquidos com resolução nanométrica. Eles observaram em tempo real que os nanocubos de prata se tornam ocos através da formação, crescimento, e coalescência de vazios internos. Durante a reação de substituição, ouro metálico é depositado na superfície do nanocubo de prata com dissolução simultânea da prata na solução. A suposição comum é que, o núcleo prateado gradualmente se esvazia através de um orifício na concha de ouro. Contudo, a equipe descobriu que durante a reação, vazios se formam na interface entre os metais prata e ouro, muitas vezes perto dos cantos dos nanocubos e, em seguida, o esvaziamento prossegue para dentro.

Essas observações LC-TEM implicam que outro processo, o efeito Kirkendall (KE), também contribui para o esvaziamento das nanopartículas. O KE ocorre em interfaces bimetálicas porque os dois metais se difundem em taxas diferentes. Isso resulta na formação de vazios no lado do metal de difusão mais rápida, o que é consistente com a observação LC-TEM. A equipe ainda caracterizou as mudanças nas transformações estruturais das nanopartículas em função da quantidade de íons de ouro presentes na solução e da temperatura do ambiente, que todos apontam para um acoplamento entre KE e GR durante o processo de esvaziamento. Os vazios crescem mais rápido com o aumento da temperatura, indicando difusão atômica mais rápida e é consistente com o comportamento esperado para KE.

Explicando o significado das descobertas, Prof Mirsaidov disse, "Estamos muito entusiasmados com esses resultados. Nossa equipe é a primeira a observar diretamente em tempo real o KE como um transiente, estágio intermediário na reação de esvaziamento entre prata e ouro. Esta abordagem pode ser potencialmente estendida ao estudo de outras reações de fase líquida em temperaturas elevadas, o que nos aproxima das condições reais de reação. "