Команда ученых из Корнельского университета разработала метод создания трехмерных хорошо упорядоченных структур из металлических наночастиц. Их разработка может найти применение при создании новых, более эффективных катализаторов для топливных элементов и химических производств, а также в оптических и электронных системах передачи, хранения и обработки информации.
Поиск катализаторов для топливных элементов, альтернативных платиновым, из числа других металлов и сплавов, до сих пор не дал достаточно эффективных материалов, поэтому энергетики с надеждой смотрят на методы создания высокоупорядоченных наноструктур платины с высокопористым строением.
Именно на это приложение и нацелили свои усилия сотрудники лаборатории профессора Ульриха Вейснера. Их новшество заключалось в применении так называемого лигандного соединения – органического вещества, соединяющегося с поверхностными атомами платиновых наночастиц, покрывающего их тонкой пленкой и делающего их хорошо растворимыми в органике.
Группе Вейснера удалось подобрать лиганд с наиболее короткой углеродной цепью из числа так называемых тиолных ионных жидкостей — ионных органических соединений, содержащих в своей структуре группу -SH. В итоге массив из коллоидных частиц платины обладал текучестью даже при большой доле металлического компонента.
Вторым ключевым фактором успеха стало использования блоксополимерного связующего компонента. В состав блоксополимера, разработанного американскими учеными, входят только два мономерных компонента, один из которых способен к ионной полимеризации с молекулами лигандов, обволакивающих наночастицы платины.
Итоговый эксперимент выглядел следующим образом. Два мономерных компонента блоксополимера смешиваются в виде жидких фаз, а затем к ним примешивается коллоидный раствор платиновых наночастиц. После взаимодействия и хорошего перемешивания наночастицы оказываются распределены в объеме одного компонента, который, в свою очередь, распределяется вокруг гексагональных зерен второго полимерного компонента. После полимеризации вся эта структура фиксируется в затвердевшей полимерной матрице.
Избавляются от нее ученые в два этапа. Сначала следует стадия отжига системы в инертной атмосфере аргона, в ходе которой термическое воздействие преобразует молекулы полимеров в углеродный каркас, который продолжает поддерживать структуру из платиновых наночастиц. Вторая стадия высокотемпературного отжига в присутствии кислорода сопровождается окислением и удалением углеродной составляющей из системы в виде СО2. При этом инертные наночастицы платины окислению не подвергаются. Более того, наноразмер этих частиц обуславливает одно их очень важное свойство – температура плавления их поверхности существенно ниже температуры плавления объемной платины.
В результате термического воздействия наночастицы сплавляются, образуя очень прочную гексагональную наноструктуру, которая имеет поры, диаметр которых превышает десять нанометров, что делает ее прекрасно проницаемой не только для газов, но и для жидкостей. При этом платиновая «наногубка» сохраняет отличную электронную проводимость.
| Компьютерная симуляция (слева) наноструктуры частиц платины, полученная после их сплавления и удаления несущей полимерной конструкции и снимок реальной мезопористой структуры платиновых наночастиц (справа) |