p Controlar as formas de partículas catalíticas e eletrocatalíticas de tamanho nanométrico feitas de metais nobres como platina e paládio pode ser mais complicado do que se pensava anteriormente. p Usando experimentos sistemáticos, pesquisadores investigaram como a difusão de superfície - um processo no qual os átomos se movem de um local para outro em superfícies em nanoescala - afeta a forma final das partículas. A questão é importante para uma ampla gama de aplicações que usam formas específicas para otimizar a atividade e seletividade das nanopartículas, incluindo conversores catalíticos, tecnologia de célula de combustível, catálise química e plasmonics.

p Os resultados da pesquisa podem levar a uma melhor compreensão de como gerenciar o processo de difusão, controlando a temperatura de reação e a taxa de deposição, ou pela introdução de barreiras estruturais projetadas para impedir o movimento superficial dos átomos.

p "Queremos ser capazes de projetar a síntese para produzir nanopartículas com a forma exata que desejamos para cada aplicação específica, "disse Younan Xia, professor do Departamento de Engenharia Biomédica Wallace H. Coulter da Georgia Tech and Emory University. "Fundamentalmente, é importante entender como essas formas são formadas, para visualizar como isso acontece em estruturas em uma escala de comprimento de cerca de 100 átomos. "

p A pesquisa foi relatada em 8 de abril na primeira edição online da revista. Anais da Academia Nacional de Ciências ( PNAS ) A pesquisa foi patrocinada pela National Science Foundation (NSF).

p Controlar a forma das nanopartículas é importante na catálise e outras aplicações que requerem o uso de metais nobres caros, como platina e paládio. Por exemplo, otimizar a forma das nanopartículas de platina pode aumentar substancialmente sua atividade catalítica, reduzindo a demanda pelo material precioso, observou Xia, que é um estudioso eminente da Georgia Research Alliance (GRA) em nanomedicina. Xia também possui cargos conjuntos na Escola de Química e Bioquímica e na Escola de Engenharia Química e Biomolecular da Georgia Tech.

p "Controlar a forma é muito importante para ajustar a atividade dos catalisadores e minimizar o carregamento dos catalisadores, "disse ele." O controle da forma também é muito importante em aplicações plasmônicas, onde a forma controla onde a absorção óptica e os picos de espalhamento são posicionados. A forma também é importante para determinar onde as cargas elétricas estarão concentradas nas nanopartículas. "

p Embora a importância da forma das partículas em nanoescala seja bem conhecida, os pesquisadores não haviam entendido antes a importância da difusão de superfície na criação da forma final da partícula. Adicionando átomos aos cantos dos cubos de platina, por exemplo, pode criar partículas com "braços" salientes que aumentam a atividade catalítica. Superfícies convexas em partículas cúbicas também podem fornecer melhor desempenho. Mas essas formas vantajosas devem ser criadas e mantidas.

p As preferências energéticas naturais relacionadas ao arranjo dos átomos nas estruturas minúsculas favorecem uma forma esférica que não é ideal para a maioria dos catalisadores, células de combustível e outras aplicações.

p Em sua pesquisa, Xia e seus colaboradores variaram a temperatura do processo usado para depositar átomos em nanocristais metálicos que agiam como sementes para as nanopartículas. Eles também variaram as taxas nas quais os átomos foram depositados nas superfícies, que foram determinados pela taxa de injeção na qual um material precursor químico foi introduzido. A taxa de difusão é determinada pela temperatura, com temperaturas mais altas, permitindo que os átomos se movam mais rapidamente nas superfícies das nanopartículas. Na pesquisa, íons de brometo foram usados ​​para limitar o movimento dos átomos adicionados de uma porção da partícula para outra.

p Usando microscopia eletrônica de transmissão, os pesquisadores observaram as estruturas que se formaram em diferentes condições. Em última análise, eles descobriram que a razão entre a taxa de deposição e a taxa de difusão determina a forma final. Quando a proporção é maior que um, os átomos adsorvidos tendem a permanecer onde estão colocados. Se a proporção for menor que um, eles tendem a se mover.

p "A menos que a reação atômica esteja em zero absoluto, você sempre terá alguma difusão, "disse Xia, que detém a cadeira da Família Brock no Departamento de Engenharia Biomédica. "Mas se você pode adicionar átomos à superfície nos lugares que você deseja mais rápido do que eles podem se difundir, você pode controlar o destino final dos átomos. "

p Xia acredita que a pesquisa também pode levar a técnicas aprimoradas para preservar as formas exclusivas das nanopartículas, mesmo em altas temperaturas de operação.

p "Fundamentalmente, é muito útil para as pessoas saberem como essas formas são formadas, "disse ele." A maioria dessas estruturas já havia sido observada antes, mas as pessoas não entenderam por que se formaram sob certas condições. Fazer isso, precisamos ser capazes de visualizar o que acontece nessas estruturas minúsculas. "

p A equipe de pesquisa de Xia também estudou o impacto da difusão em partículas bimetálicas compostas de paládio e platina. A combinação pode melhorar certas propriedades, e porque o paládio é atualmente mais barato do que a platina, usar um núcleo de paládio coberto por uma fina camada de platina fornece a atividade catalítica da platina enquanto reduz o custo.

p Nesse caso, a difusão na superfície pode ser útil para cobrir a superfície do paládio com uma única camada de platina. Apenas os átomos de platina da superfície serão capazes de fornecer as propriedades catalíticas, enquanto o núcleo de paládio serve apenas como suporte.

p A pesquisa faz parte de um estudo de longo prazo de nanopartículas catalíticas conduzido pelo grupo de pesquisa de Xia. Outros aspectos do trabalho da equipe abordam os usos biomédicos de nanopartículas em áreas como a terapia do câncer.

p "Estamos muito entusiasmados com este resultado porque é genérico e pode ser aplicado para compreender e controlar a difusão nas superfícies de muitos sistemas, "Xia acrescentou." Em última análise, queremos ver como podemos tirar vantagem dessa difusão para melhorar as propriedades catalíticas e ópticas dessas nanopartículas. "