En forskargrupp från Kungliga Tekniska Högskolan och Max Planck Institute of Colloids and Interfaces rapporterar att de har hittat nyckeln till kontrollerad tillverkning av ceriumoxidmesokristaller. Forskningen är ett steg framåt i att trimma nanomaterial som kan tjäna ett brett spektrum av användningsområden — inklusive solceller, bränslekatalysatorer och till och med mediciner.
Mesokristaller är nanopartiklar med identisk storlek, form och kristallografisk orientering, och de kan användas som byggstenar för att skapa konstgjorda nanostrukturer med skräddarsydda optiska, magnetiska eller elektroniska egenskaper. I naturen finns dessa tredimensionella strukturer i till exempel koraller, sjöborrar och kalcitökenros. Artificiellt framställda ceriumoxid (CeO2) mesokristaller – eller nanoceria – är välkända som katalysatorer, med antioxidantegenskaper som kan vara användbara i läkemedelsutveckling.
– För att kunna tillverka CeO2mesokristaller på ett kontrollerat sätt måste man förstå bildningsmekanismen för dessa material, säger Inna Soroka, forskare i tillämpad fysikalisk kemi vid KTH.
Forskargruppen använde strålningskemi för att för första gången avslöja mekanismen för bildning av ceria mesokristall. På grund av deras komplexitet följer mesokristallbildningen inte samma väg som vanliga kristaller – en process som kallas Ostwald Mognad, där mindre partiklar i en lösning löses upp och avsätts på större partiklar.
Forskarna fann att en gelliknande, amorf fas bildar en matris där primära partiklar, cirka 3 nm i storlek och i linje med varandra, självmonterande till mesokristaller med en diameter på 30 nm.
– Om mesokristallen var ett hus, spelar denna amorfa fas rollen som cementen som förbinder de inriktade tegelstenarna i väggarna, säger Dr. Soroka.
De fann också att mesokristallerna kan ytterligare självorganisera och bilda suprakristaller som är synliga för blotta ögat.
– Precis som en arkitekt kanske inte designar ett enda hus utan ett helt kvarter med husen inriktade på ett visst sätt för att tillgodose sina invånares behov.
Denna hierarkiska flernivåarkitektur av suprakristaller är ett intressant koncept för framtida materialdesign.
– Mnniskor är fascinerade av den mångfald av strukturer och komplexa former som finns i naturen, som sjöborrar och koraller. Och forskare är intresserade av hur kristalliseringsprocesserna fungerar. Vårt arbete är ett bidrag till denna förståelse, säger Soroka.
Forskningen publicerades i Angewandte Chemie (DOI: 10.1002/anie.202112204).
