Metaliczne nanocząstki liczą od paru do kilku tysięcy atomów (lub prostych molekuł). Prostym i szybkim sposobem wytwarzania takich nanostruktur jest elektrodepozycja. Polega ona na zanurzeniu elektrody w roztworze soli tego metalu, z którego chcemy wytworzyć warstwę, a następnie przyłożeniu odpowiedniego napięcia. Jony przy powierzchni elektrody ulegają wtedy redukcji i warstwa zaczyna narastać. Elektrody pokrywane warstwami metalicznych nanocząstek (nanowarstwami) są przydatne m.in. jako katalizatory służące w energetyce.

Badania nad nanocząstkami przynoszą rezultaty obiecujące dla technologii związanych z energią, medycyną czy elektroniką. Jednym z wyzwań jest skuteczna kontrola syntezy i wzrostu nanostruktur. Międzynarodowy zespół naukowców pod kierownictwem badaczy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie przeprowadził zaawansowany eksperyment obrazujący proces elektrodepozycji nanowarstwy platyny z niklem (PtNi) na elektrodzie. O badaniach poinformowali przedstawiciele instytutu w przesłanym PAP komunikacie.

Dzięki nowoczesnym technikom obrazowania, badacze mieli wyjątkową okazję obserwować w czasie rzeczywistym, jak powstają struktury na poziomie atomów. A to trudne, bo standardowe techniki pozwalają na obserwację procesu w suchym środowisku. A elektrodepozycja zachodzi w środowisku wodnym. Badania stanowią istotny krok w stronę lepszego projektowania materiałów o ściśle kontrolowanych właściwościach - oceniono w komunikacie.

Aby przyjrzeć się, jak dokładnie zachodzi elektrodepozycja, niezbędne są techniki transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM). Pozwalają one obrazować materiały z rozdzielczością poniżej angstrema (czyli dziesiąta część nanometra albo dziesięciomilionowa część milimetra), ponieważ zamiast światła widzialnego wykorzystuje się wiązkę elektronów o znacznie mniejszej długości fali.

Idealnie byłoby obejrzeć w takim mikroskopie, jak w czasie rzeczywistym następuje nukleacja (czyli początkowy etap wzrostu, podczas którego powstają zarodki nanocząstek) i wzrost warstwy na elektrodzie. Niestety, z obrazowaniem TEM wiążą się pewne ograniczenia: badane materiały muszą być tak cienkie, jak to możliwe oraz całkowicie suche. Aby umożliwić obrazowanie reakcji chemicznych, które przebiegają w środowisku płynnym, naukowcy wykorzystali więc specjalną technikę obrazowania w komórce przepływowej (liquid cell).

Eksperymenty na Politechnice Śląskiej, przeprowadzone za pomocą mikroskopu TEM, pozwoliły stwierdzić, że warstwa PtNi faktycznie rośnie bezpośrednio na elektrodzie. To o tyle ważny wniosek, że alternatywny mechanizm powodowałby, że nanocząstki najpierw powstają w elektrolicie, a potem płyną w kierunku elektrody i przyczepiają się do niej. Taki efekt również zaobserwowano, ale tylko wyjątkowo: w miejscach oświetlonych wiązką.

„W ramach współpracy z Instytutem Fritza Habera z Towarzystwa Maxa Plancka w Berlinieprzeprowadziliśmy dodatkowy eksperyment, wydłużając czas reakcji i zmniejszając szybkość zmian napięcia, co umożliwiło zaobserwowanie dodatkowych efektów: nukleacji pojedynczych nanocząstek, których szybki wzrost i połączenie prowadzi do powstania warstwy. Nanocząstki przy zmianach napięcia w kolejnych cyklach elektrodepozycji ulegają naprzemiennie wzrostowi oraz rozpuszczaniu, jednak wzrost jest szybszym procesem niż rozpuszczanie, dlatego ostatecznie otrzymujemy stabilną warstwę” - tłumaczy cytowana w komunikacie prof. Magdalena Parlińska-Wojtan (IFJ PAN).

W ramach badań przeprowadzono jeszcze jeden eksperyment w środowisku płynnym, wykorzystując inną, również unikatową aparaturę: skaningowy transmisyjny mikroskop rentgenowski (STXM), dostępny w Narodowym Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS w Krakowie. Autorzy przeprowadzili elektrodepozycję warstwy PtNi wewnątrz STXM i w czasie rzeczywistym zbadali, w jakim zakresie nanocząstki najsilniej absorbują promieniowanie. W ten sposób stwierdzili, że warstwa składa się tak naprawdę z tlenku niklu(II) i metalicznej platyny.

„Przeprowadzenie eksperymentu z użyciem technik mikroskopowych w środowisku płynnym to nie lada wyzwanie. Mimo to naszemu zespołowi udało się wytworzyć oczekiwaną warstwę PtNi z użyciem aż dwóch różnych technik, a otrzymane wyniki były komplementarne”- mówi prof. Parlińska-Wojtan.

I wymienia powody, dla którego te badania są ważne. “Powód techniczny jest taki, że nadal poznajemy możliwości i ograniczenia stosunkowo nowych, wysokiej klasy narzędzi pomiarowych. Był też jednak ważniejszy powód, naukowy: zrozumienie fundamentalnych czynników warunkujących syntezę, wzrost i właściwości nanostruktur. Daje to nam wiedzę, która może pomóc w przyszłości w wytwarzaniu lepszych struktur złożonych z nanocząstek w kontekście aplikacyjnym (np. w ogniwach paliwowych lub w medycynie)”.

Rezultaty badań zostały opublikowane w prestiżowym czasopiśmie naukowym „Nano Letters”, a grafikę ilustrującą badania umieszczono na okładce czasopisma.

Nauka w Polsce

lt/ agt/