Nanogotículas semelhantes a planetas de metal líquido foram formadas com sucesso com uma nova técnica desenvolvida na Universidade RMIT, na Austrália. Tal como o nosso próprio planeta Terra, as nanogotículas apresentam uma “crosta” externa, um “manto” de metal líquido e um “núcleo” sólido.



O núcleo intermetálico sólido é a chave para alcançar uma mistura mais homogênea, "bloqueando" a mesma quantidade de soluto (ou seja, os metais "alvo") em cada gota de liga.

A equipe de pesquisa alcançou homogeneidade por meio da dissolução completa no meio metálico líquido, possibilitada pelo sal fundido em alta temperatura. O artigo deles, "Síntese de nanogotículas de metal líquido semelhantes a planetas com propriedades promissoras para catálise", foi publicado na revista Advanced Functional Materials. em julho de 2023.

A descoberta cria novas oportunidades de pesquisa em química fundamental de metais líquidos, bem como aplicações tão diversas como eletrônica flexível, materiais de mudança de fase, catalisadores e células de combustível, e antimicrobianos à base de prata.

Nanogotículas de metal líquido se desfazem

Os metais líquidos emergiram como uma nova fronteira promissora de pesquisa química nos últimos anos, atuando como uma nova interface de reação para solventes e catalisadores.

Eles também podem atuar como um material funcional que oferece alta condutividade, devido às ligações metálicas deslocalizadas, e um interior macio e fluido.

Com as aplicações emergentes de catálise, detecção e nanoeletrônica que dependem da obtenção de grandes áreas de superfície, a síntese de nanogotículas de metal líquido tornou-se um foco importante.

Existem muitas combinações possíveis na formação de ligas para aplicações específicas, por exemplo, dissolvendo cobre (o soluto) em gálio líquido (o solvente metálico).

As nanogotas de metal líquido são criadas por agitação mecânica usando ondas sonoras em um solvente como etanol ou água.

No entanto, durante este processo de "sonicação", as ligas de metal líquido tendem a "desligar", isto é, a quebrar-se nos seus metais constituintes.

Isto é o resultado de métodos anteriores que tentaram dissolver os metais a temperaturas relativamente baixas, próximas da temperatura ambiente. “Assim como é possível dissolver mais açúcar em água quente do que em água fria, mais cobre pode ser dissolvido em gálio mais quente”, diz o autor principal Caiden Parker, Ph.D. candidato na RMIT.

Em baixas temperaturas, parte do metal soluto se transforma em partículas sólidas maiores antes da dissolução completa.

A composição resultante tem propriedades inconsistentes e não homogêneas, com a composição de nanogotículas individuais variando consideravelmente. “Em casos extremos, muitas ou mesmo a maioria das nanogotículas podem ser essencialmente desprovidas do metal soluto, que acaba concentrado em apenas muito poucas partículas”, diz o autor correspondente, Dr. Torben Daeneke, também da RMIT.

Esta falta de homogeneidade e a presença de compostos intermetálicos representam dificuldades consideráveis ​​para os pesquisadores que desejam compreender os mecanismos fundamentais em ação na química dos metais líquidos.

Altas temperaturas e sais formam nanogotículas homogêneas, semelhantes a planetas

No novo estudo, os pesquisadores do RMIT resolveram o problema da desligação aquecendo significativamente o processo de síntese (até 400°C) para garantir que o metal soluto fosse completamente dissolvido e introduzindo um fluido de suspensão de sal fundido cuidadosamente selecionado.

O acetato de sódio foi selecionado porque permanece estável em altas temperaturas e pode ser facilmente removido posteriormente.

As nanogotículas resultantes apresentam uma interessante estrutura semelhante a um planeta que consiste em uma camada externa (óxido), um manto líquido (metal) e um núcleo central sólido suspenso (intermetálico).

“Ficámos imediatamente impressionados com a semelhança das nanogotículas com um planeta semelhante à Terra, com uma camada externa sólida, um manto de metal líquido e um núcleo de metal sólido”, diz Caiden.

Esse núcleo sólido é a chave para o sucesso da nova técnica, “prendendo” a mesma quantidade de soluto em cada gota de liga.

“Também ficamos encantados ao ver que as nossas novas nanogotículas metálicas semelhantes a planetas estavam por toda parte”, continua Caiden.

O sistema foi distribuído de maneira homogênea, com rendimento de produção significativamente melhorado. A análise do microscópio eletrônico de transmissão (TEM) confirmou que a estrutura central é observada em quase todas as gotículas.

A presença do núcleo sólido também promove um uso muito interessante das nanogotículas planetárias em reações catalíticas, acelerando as reações químicas.

As nanogotículas de cobre-gálio estudadas forneceram resultados promissores na oxidação eletrocatalítica do etanol, que poderiam ser aplicadas em células a combustível de etanol.

A remoção do acetato de sódio é importante antes desta reação catalítica, sendo o sal facilmente removido em banhos-maria simples.

O que vem a seguir?

A nova técnica promissora abre o uso potencial de nanogotículas de alta área superficial em uma ampla gama de aplicações futuras, incluindo, mas não se limitando a, eletrônicos ou materiais catalíticos.

A escala física das nanogotículas (ou seja, nano em vez de micro) também auxiliará estudos fundamentais da química do metal líquido, incluindo a análise da natureza precisa da formação de ligações em metais líquidos, capacidades de solvatação, dinâmica de cristalização e a química coloidal geral que pode ocorrem em vários sistemas de metal fundido.

“As estruturas semelhantes a planetas são como pequenos laboratórios em miniatura, permitindo-nos estudar como os metais fundidos se comportam a nível atómico”, diz Torben.

Embora o estudo tenha provado a viabilidade da nova técnica usando um sistema de cobre-gálio, os autores esperam mais trabalhos para confirmar que a técnica será bem-sucedida usando outras combinações de sistemas de ligas de soluto e solvente, começando com prata, zinco ou bismuto em gálio líquido. , estanho ou índio.

“Uma vantagem importante dos sistemas de metal líquido é a capacidade de ajustar a mistura de metais para determinadas aplicações, dependendo das propriedades dos metais constituintes”, diz Caiden.

"Por exemplo, o cobre é um excelente condutor elétrico. Quando combinamos cobre com gálio, não apenas economizamos custos significativos no consumo de material, mas também abrimos caminho para a eletrônica flexível, como a que você pode ter visto em filmes de ficção científica. "

Potencialmente, o cobre também pode ser utilizado por suas propriedades térmicas, com potencial aplicação de nanogotículas à base de cobre em sistemas de dissipação de calor.

Aplicações de catálise de nanogotículas baseadas na capacidade do cobre de acelerar reações já foram testadas no novo estudo, com área de sítio ativo melhorada, além de economia de síntese de material.

Olhando para outro metal, a prata já encontrou aplicações baseadas nas suas propriedades antimicrobianas e, uma vez combinada com o gálio, poderia criar uma alternativa mais biodisponível.

“Assim, as aplicações potenciais da nova tecnologia são extremamente amplas. Qualquer indústria que necessite de nanomateriais pode utilizar o sistema, com metais constituintes variando de acordo com a aplicação”, diz Torben.

Mais informações: Caiden J. Parker et al, Síntese de nanogotículas de metal líquido semelhantes a um planeta com propriedades promissoras para catálise, Materiais Funcionais Avançados (2023). DOI:10.1002/adfm.202304248
Informações do diário: Materiais Funcionais Avançados

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