Os pesquisadores publicaram a primeira parte do que eles esperam ser um banco de dados mostrando a cinética envolvida na produção de nanocristais de metal coloidal - que são adequados para catalítico, biomédico, aplicações fotônicas e eletrônicas - por meio de um mecanismo autocatalítico.

No processo baseado em solução, precursores químicos são adsorvidos às sementes de nanocristais antes de serem reduzidos a átomos que alimentam o crescimento dos nanocristais. Os dados cinéticos são baseados em estudos sistemáticos meticulosos feitos para determinar as taxas de crescimento em diferentes facetas nanocristais - estruturas de superfície que controlam como os cristais crescem atraindo átomos individuais.

Em artigo publicado em 11 de dezembro na revista Proceedings of the National Academy of Sciences , uma equipe de pesquisa do Instituto de Tecnologia da Geórgia forneceu uma imagem quantitativa de como as condições de superfície controlavam o crescimento dos nanocristais de paládio. O trabalho, que mais tarde incluirá informações sobre nanocristais feitos de outros metais nobres, é apoiado pela National Science Foundation.

"Este é um estudo fundamental de como os nanocristais catalíticos crescem a partir de pequenas sementes, e muitas pessoas que trabalham neste campo poderiam se beneficiar da sistemática, informações quantitativas que desenvolvemos, "disse Younan Xia, professor e presidente da família Brock no Departamento de Engenharia Biomédica Wallace H. Coulter da Georgia Tech e da Emory University. "Esperamos que este trabalho ajude os pesquisadores a controlar a morfologia dos nanocristais que são necessários para muitas aplicações diferentes."

Um fator crítico que controla como os nanocristais crescem a partir de sementes minúsculas é a energia superficial das facetas cristalinas das sementes. Os pesquisadores sabem que as barreiras de energia ditam a atração da superfície por precursores em solução, mas informações específicas sobre a barreira de energia para cada tipo de faceta não estavam prontamente disponíveis.

"Tipicamente, a superfície das sementes que são usadas para cultivar esses nanocristais não tem sido homogênea, "explicou Xia, que também é bolsista da Georgia Research Alliance Eminent em Nanomedicina e possui nomeações conjuntas na Escola de Química e Bioquímica e na Escola de Engenharia Química e Biomolecular. "Você pode ter diferentes facetas nos cristais, que dependem do arranjo dos átomos abaixo deles. Do ponto de vista dos precursores na solução em torno das sementes, essas superfícies têm energias de ativação diferentes que determinam o quão difícil será para os precursores ou átomos pousarem em cada superfície. "

A equipe de pesquisa de Xia projetou experimentos para avaliar as barreiras de energia em várias facetas, usando sementes em uma variedade de tamanhos e configurações de superfície escolhidas para ter apenas um tipo de faceta. Os pesquisadores mediram o crescimento dos nanocristais em solução e a mudança na concentração do sal precursor de tetrabrometo de paládio (PdBr4 2-).

"Ao escolher o precursor certo, podemos garantir que toda a redução que medimos está na superfície e não na solução, "explicou ele." Isso nos permitiu fazer medições significativas sobre o crescimento, que é controlado pelo tipo de faceta, bem como a presença de um limite duplo, correspondendo a padrões de crescimento e resultados finais distintos. "

Ao longo de quase um ano, O assistente de pesquisa de pós-graduação visitante Tung-Han Yang estudou o crescimento de nanocristais usando diferentes tipos de sementes. Em vez de permitir o crescimento de nanocristais a partir da autonucleação, A equipe de Xia escolheu estudar o crescimento das sementes para que pudessem controlar as condições iniciais.

Controlar a forma dos nanocristais é fundamental para aplicações em catálise, fotônica, eletrônica e medicina. Como esses metais nobres são caros, minimizar a quantidade de material necessária para aplicações catalíticas ajuda a controlar os custos.

"Quando você faz catálise com esses materiais, você quer ter certeza de que os nanocristais são tão pequenos quanto possível e que todos os átomos estão expostos à superfície, "disse Xia." Se não estiverem na superfície, eles não contribuirão para a atividade e, portanto, serão desperdiçados. "

O objetivo final da pesquisa é um banco de dados que os cientistas possam usar para orientar o crescimento de nanocristais com tamanhos específicos, formas e atividade catalítica. Além do paládio, os pesquisadores planejam publicar os resultados dos estudos cinéticos do ouro, prata, platina, ródio e outros nanocristais. Embora o padrão de barreiras de energia provavelmente seja diferente para cada um, haverá semelhanças em como as barreiras de energia controlam o crescimento, Disse Xia.

"É realmente como os átomos estão dispostos na superfície que determina a energia da superfície, "ele explicou." Dependendo dos metais envolvidos, os números exatos serão diferentes, mas as proporções entre os tipos de faceta devem ser mais ou menos as mesmas. "

Xia espera que o trabalho de sua equipe de pesquisa leve a um melhor entendimento de como o processo autocatalítico funciona na síntese desses nanomateriais, e, finalmente, para aplicações mais amplas.

“Se você quiser controlar a morfologia e as propriedades, você precisa dessas informações para poder escolher o precursor e agente redutor certo, "disse Xia." Este estudo sistemático levará a um banco de dados sobre esses materiais. Este é apenas o começo do que planejamos fazer. "