Tecniche di imaging all’avanguardia hanno consentito agli scienziati di osservare e controllare la sintesi di nanoparticelle di platino-nichel, apportando miglioramenti significativi alla progettazione di materiali destinati alla tecnologia e alla medicina. Le nanoparticelle metalliche, costituite da un numero variabile di atomi o molecole semplici, stanno suscitando un notevole interesse per il loro potenziale tecnologico. In particolare, gli elettrodi rivestiti di nanoparticelle, conosciuti come nanolayers, sono di grande valore in settori come la produzione di energia, dove agiscono come catalizzatori. Uno dei metodi più diffusi per creare questi strati sugli elettrodi è l’elettrodeposizione. Recentemente, un team internazionale di ricercatori ha fatto importanti scoperte sulle complessità di questo processo.
Avanzamenti nella Ricerca sulle Nanoparticelle
La ricerca sulle nanoparticelle sta portando a significativi progressi nei settori dell’energia, della medicina e dell’elettronica. Uno dei principali ostacoli in questo ambito è rappresentato dal controllo della sintesi e della crescita delle nanostrutture. Per affrontare questa sfida, un team internazionale di scienziati, guidato dai ricercatori dell’Istituto di Fisica Nucleare dell’Accademia Polacca delle Scienze (IFJ PAN) a Cracovia, ha condotto un esperimento innovativo.
Hanno dimostrato l’elettrodeposizione di uno strato nanometrico di platino-nichel (PtNi) su un elettrodo. Utilizzando tecniche di imaging all’avanguardia, il team ha potuto osservare in tempo reale la formazione di strutture a livello atomico, un passo fondamentale verso la progettazione di materiali con proprietà personalizzate in modo preciso.
Comprensione dell’Elettrodeposizione
L’elettrodeposizione rappresenta un metodo rapido e conveniente per la produzione di nanostrutture. Questo processo prevede l’immersione di un elettrodo in una soluzione di sale metallico, da cui lo strato deve crescere, seguita dall’applicazione di una tensione adeguata che induce la riduzione degli ioni vicino alla superficie dell’elettrodo, avviando così la crescita dello strato.
Le tecniche di microscopia elettronica a trasmissione (TEM) sono fondamentali per esaminare da vicino il processo di elettrodeposizione. La TEM consente di visualizzare materiali con una risoluzione sub-angstrom (inferiore a un decimo di milionesimo di millimetro) grazie all’utilizzo di un fascio di elettroni con lunghezza d’onda molto più breve rispetto alla luce visibile. Idealmente, sarebbe possibile osservare in tempo reale la nucleazione e la crescita dello strato sull’elettrodo.
Tuttavia, l’immagine TEM presenta alcune limitazioni: i campioni devono essere estremamente sottili e completamente asciutti. Per superare tali sfide e consentire l’imaging delle reazioni chimiche, i ricercatori hanno adottato una tecnica di imaging speciale in una camera a flusso di liquido.
Avanzamenti nelle Tecniche di Imaging
La cella a flusso è costituita da due chip di silicio con una membrana di SiNx spessa 50 nanometri. Questa membrana è trasparente agli elettroni e su di essa è posizionato un elettrodo aggiuntivo. Applicando una tensione, l’operatore del microscopio può osservare la crescita dello strato sull’elettrodo. Gli esperimenti condotti con questa cella richiedono un’apposita configurazione per gli esperimenti a flusso nella TEM, come spiegato dalla Prof.ssa Magdalena Parli ska-Wojtan, Ph.D., Ing. (IFJ PAN).
Osservazioni e Intuizioni in Tempo Reale
Gli esperimenti svolti presso l’Università di Tecnologia della Slesia utilizzando un microscopio TEM hanno confermato che lo strato di PtNi cresce direttamente sull’elettrodo, fornendo intuizioni cruciali sulle dinamiche dell’intero processo. È emerso che le nanoparticelle potrebbero formarsi inizialmente nell’elettrolita per poi spostarsi verso l’elettrodo e attaccarvisi. Questo fenomeno è stato osservato solo nelle aree illuminate dal fascio, poiché l’interazione del fascio di elettroni con l’acqua agisce come agente riducente.
Ulteriori osservazioni in condizioni ‘asciutte’ hanno rivelato che lo strato è composto da nanoparticelle sferiche con diametri di diversi decine di nanometri. Un ingrandimento ulteriore delle immagini TEM ha mostrato che la superficie di queste nanoparticelle presenta strutture dendritiche finemente ramificate.
Miglioramento dei Processi di Elettrodeposizione
Nel contesto della collaborazione con l’Istituto Fritz Haber della Società Max Planck a Berlino, è stato condotto un ulteriore esperimento prolungando il tempo di reazione e riducendo il tasso di variazione della tensione. Ciò ha permesso di osservare la nucleazione di singole nanoparticelle, che crescono rapidamente e si fondono per formare uno strato continuo. Durante le variazioni di tensione nei cicli successivi di elettrodeposizione, le nanoparticelle subiscono una crescita e una dissoluzione alternate. Tuttavia, la crescita risulta essere più rapida della dissoluzione, portando infine alla formazione di uno strato stabile, come spiegato dalla Prof.ssa Parli ska-Wojtan.
Esplorazione di Diverse Modalità di Imaging
Come parte della ricerca, è stato condotto un altro esperimento in ambiente liquido utilizzando un microscopio a scansione a raggi X (STXM) presso il Centro Nazionale di Radiazioni di Sincrotrone SOLARIS a Cracovia. Durante l’imaging STXM, viene impiegata la radiazione X.
Le immagini ottenute tramite STXM non presentano una risoluzione così elevata come quelle della microscopia elettronica, ma rivelano altre proprietà dei materiali in esame, come gli stati di ossidazione degli atomi nelle nanoparticelle. A seconda che si tratti di un metallo o di un ossido (e dello stato di ossidazione dell’ossido), i materiali assorbono la radiazione X a diverse energie.
Un’immagine STXM acquisita con il giusto fascio energetico consente un’analisi dettagliata delle nanoparticelle prodotte. Il microscopio STXM presso il centro SOLARIS a Cracovia ha permesso anche un esperimento in ambiente liquido utilizzando una cella a flusso quasi identica a quella impiegata nella TEM. Gli autori hanno quindi eseguito l’elettrodeposizione di PtNi all’interno dello STXM e, in tempo reale, hanno studiato l’assorbimento dei raggi X da parte delle nanoparticelle, confermando che lo strato è composto da ossido di nichel(II) e platino metallico.
Rilevanza della Ricerca
Condurre un esperimento utilizzando tecniche microscopiche in un ambiente liquido rappresenta una sfida significativa. Tuttavia, il nostro team è riuscito a produrre lo strato desiderato di PtNi utilizzando due approcci diversi, e i risultati ottenuti si sono dimostrati complementari, come sottolineato dalla Prof.ssa Parli ska-Wojtan.
La Prof.ssa evidenzia che “Questa ricerca riveste un’importanza fondamentale per diverse ragioni. Dal punto di vista tecnico, stiamo ancora esplorando le potenzialità e i limiti di strumenti di misura di alta gamma relativamente recenti. Tuttavia, vi è anche un aspetto scientifico di rilievo: comprendere i fattori chiave che regolano la sintesi, la crescita e le proprietà delle nanostrutture. Questa conoscenza potrebbe rivelarsi cruciale per la produzione futura di materiali nanostrutturati più adatti a specifiche applicazioni come celle a combustibile o medicina.” I risultati della ricerca sono stati pubblicati su Nano Letters e il comitato editoriale della rivista ha riconosciuto il valore del lavoro presentando la grafica correlata sulla copertina di uno dei numeri.
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