Dando un salto gigante en el campo 'pequeño' de la nanociencia, un equipo multiinstitucional de investigadores es el primero en crear partículas a nanoescala compuestas de hasta ocho elementos distintos, generalmente conocidos como inmiscibles o incapaces de mezclarse o mezclarseLa combinación de elementos múltiples no mezclables en una nanoestructura unificada y homogénea, llamada nanopartícula de aleación de alta entropía, expande enormemente el panorama de los nanomateriales, y lo que podemos hacer con ellos.
Esta investigación hace un avance significativo en los esfuerzos previos que típicamente han producido nanopartículas limitadas a solo tres elementos diferentes y a estructuras que no se mezclan uniformemente. Esencialmente, es extremadamente difícil exprimir y mezclar diferentes elementos en partículas individuales a nanoescala.El equipo, que incluye investigadores líderes de la Facultad de Ingeniería A. James Clark de la Universidad de Maryland, College Park UMD, publicó un artículo revisado por pares basado en la investigación presentada en la portada del 30 de marzo de ciencia .
"Imagine los elementos que se combinan para formar nanopartículas como bloques de construcción de Lego. Si solo tiene uno o tres colores y tamaños, entonces está limitado por las combinaciones que puede usar y las estructuras que puede ensamblar", explica Liangbing Hu, asociadoprofesor de ciencia e ingeniería de materiales en la UMD y uno de los autores correspondientes del artículo. "Lo que nuestro equipo ha hecho es esencialmente ampliar el baúl de juguetes en síntesis de nanopartículas; ahora, podemos construir nanomateriales con casi todos los elementos metálicos y semiconductores."
Los investigadores dicen que este avance en nanociencia abre grandes oportunidades para una amplia gama de aplicaciones que incluyen catálisis la aceleración de una reacción química por un catalizador, almacenamiento de energía baterías o supercondensadores e imágenes bio / plasmónicas, entre otras.
Para crear las nanopartículas de aleación de alta entropía, los investigadores emplearon un método de calentamiento rápido de dos pasos seguido de enfriamiento rápido. Los elementos metálicos como platino, níquel, hierro, cobalto, oro, cobre y otros se expusieron a una temperatura térmica rápidachoque de aproximadamente 3.000 grados Fahrenheit, o aproximadamente la mitad de la temperatura del sol, durante 0.055 segundos. La temperatura extremadamente alta resultó en mezclas uniformes de los elementos múltiples. El enfriamiento rápido posterior más de 100,000 grados Fahrenheit por segundo estabilizó el recién mezcladoelementos en el nanomaterial uniforme.
"Nuestro método es simple, pero uno que nadie más ha aplicado a la creación de nanopartículas. Al usar un enfoque de ciencia física, en lugar de un enfoque de química tradicional, hemos logrado algo sin precedentes", dice Yonggang Yao, Ph.D.. estudiante de la UMD y uno de los autores principales del artículo.
Para demostrar un uso potencial de las nanopartículas, el equipo de investigación las usó como catalizadores avanzados para la oxidación de amoníaco, que es un paso clave en la producción de ácido nítrico un ácido líquido que se usa en la producción de nitrato de amonio para fertilizantes,fabricando plásticos, y en la fabricación de tintes. Fueron capaces de lograr el 100 por ciento de oxidación de amoníaco y el 99 por ciento de selectividad hacia los productos deseados con las nanopartículas de aleación de alta entropía, demostrando su capacidad como catalizadores altamente eficientes.
Yao dice que otro uso potencial de las nanopartículas como catalizadores podría ser la generación de productos químicos o combustibles a partir de dióxido de carbono.
"Las aplicaciones potenciales para las nanopartículas de aleación de alta entropía no se limitan al campo de la catálisis. Con curiosidad interdisciplinaria, las aplicaciones demostradas de estas partículas se extenderán aún más", dice Steven D. Lacey, Ph.D.estudiante de la UMD y también uno de los autores principales del artículo.
Esta investigación se realizó a través de una colaboración multi-institucional del grupo del profesor Liangbing Hu en la Universidad de Maryland, College Park; el grupo del profesor Reza Shahbazian-Yassar en la Universidad de Illinois en Chicago; el grupo del profesor Ju Li en MassachusettsInstituto de Tecnología; el grupo del profesor Chao Wang en la Universidad Johns Hopkins; y el grupo del profesor Michael Zachariah en la Universidad de Maryland, College Park.
Lo que dicen los expertos externos sobre esta investigación :
"Esto es bastante sorprendente; el Dr. Hu ideó creativamente esta poderosa técnica, la síntesis de choque carbo-térmico, para producir aleaciones de alta entropía de hasta ocho elementos diferentes en una sola nanopartícula. Esto es realmente impensable para la síntesis de materiales a granel.¡Este es otro hermoso ejemplo de nanociencia! ", Dice Peidong Yang, profesor distinguido de energía de SK y Angela Chan y profesor de química en la Universidad de California, Berkeley y miembro de la Academia Estadounidense de Artes y Ciencias.
"Este descubrimiento abre muchas direcciones nuevas. Hay oportunidades de simulación para comprender la estructura electrónica de las diversas composiciones y fases que son importantes para la próxima generación de diseño de catalizadores. Además, encontrar correlaciones entre rutas de síntesis, composición y estructura de fases yel rendimiento permite un cambio de paradigma hacia la síntesis guiada ", dice George Crabtree, miembro distinguido de Argonne y director del Centro Conjunto para la Investigación del Almacenamiento de Energía en el Laboratorio Nacional de Argonne.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Maryland . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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