Dar un salto de gigante en el campo 'diminuto' de la nanociencia, Un equipo multiinstitucional de investigadores es el primero en crear partículas a nanoescala compuestas de hasta ocho elementos distintos que generalmente se sabe que son inmiscibles. o incapaces de mezclarse o combinarse. La mezcla de múltiples elementos no mezclables en un unificado, nanoestructura homogénea, llamada nanopartícula de aleación de alta entropía, amplía enormemente el panorama de los nanomateriales y lo que podemos hacer con ellos.

Esta investigación supone un avance significativo en los esfuerzos anteriores que típicamente han producido nanopartículas limitadas a solo tres elementos diferentes y a estructuras que no se mezclan de manera uniforme. Esencialmente, Es extremadamente difícil exprimir y mezclar diferentes elementos en partículas individuales a nanoescala. El equipo, que incluye investigadores principales de la Universidad de Maryland, Escuela de Ingeniería A. James Clark de College Park (UMD), publicó un artículo revisado por pares basado en la investigación presentada en la portada del 30 de marzo de Ciencias .

"Imagina los elementos que se combinan para hacer nanopartículas como bloques de construcción de Lego. Si solo tienes de uno a tres colores y tamaños, entonces está limitado por las combinaciones que puede usar y las estructuras que puede ensamblar, "explica Liangbing Hu, profesor asociado 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 la 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 la catálisis (la aceleración de una reacción química por un catalizador), almacenamiento de energía (baterías o supercondensadores), e imágenes bio / plasmónicas, entre otros.

Para crear las nanopartículas de aleación de alta entropía, los investigadores emplearon un método de dos pasos de calentamiento instantáneo seguido de enfriamiento instantáneo. Elementos metálicos como platino, níquel, planchar, cobalto, oro, cobre, y otros fueron expuestos a un rápido choque térmico de aproximadamente 3, 000 grados Fahrenheit, o aproximadamente la mitad de la temperatura del sol, durante 0,055 segundos. La temperatura extremadamente alta dio como resultado mezclas uniformes de múltiples elementos. El subsiguiente enfriamiento rápido (más de 100, 000 grados Fahrenheit por segundo) estabilizó los elementos recién mezclados en el nanomaterial uniforme.

"Nuestro método es simple, pero uno que nadie más ha aplicado a la creación de nanopartículas. Al utilizar un enfoque de ciencia física, en lugar de un enfoque químico tradicional, hemos logrado algo sin precedentes, "dice Yonggang Yao, un doctorado estudiante de la UMD y uno de los autores principales del artículo.

Para demostrar un uso potencial de las nanopartículas, el equipo de investigación los utilizó como catalizadores avanzados para la oxidación del amoníaco, que es un paso clave en la producción de ácido nítrico (un ácido líquido que se utiliza en la producción de nitrato de amonio para fertilizantes, hacer plásticos, y en la fabricación de tintes). Pudieron lograr un 100 por ciento de oxidación del amoníaco y un 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 de 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 generalizarán aún más, "dice Steven D. Lacey, un doctorado estudiante de la UMD y también uno de los autores principales del artículo.

Esta investigación se realizó a través de una colaboración multiinstitucional del grupo del profesor Liangbing Hu en la Universidad de Maryland, College Park; El grupo del Prof. Reza Shahbazian-Yassar en la Universidad de Illinois en Chicago; El grupo del Prof. Ju Li en el Instituto de Tecnología de Massachusetts; El grupo del Prof. Chao Wang en la Universidad Johns Hopkins; y el grupo del Prof. Michael Zachariah en la Universidad de Maryland, College Park.

"Esto es bastante sorprendente; al Dr. Hu se le ocurrió creativamente esta poderosa técnica, síntesis de choque carbo-térmico, para producir aleaciones de alta entropía de hasta ocho elementos diferentes en una sola nanopartícula. De hecho, esto es impensable para la síntesis de materiales a granel. ¡Este es otro hermoso ejemplo de nanociencia! "dice Peidong Yang, el S.K. y Angela Chan, profesora distinguida de energía y profesora de química en la Universidad de California, Berkeley y miembro de la Academia Estadounidense de Artes y Ciencias.

"Este descubrimiento abre muchas direcciones nuevas. Existen 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 la estructura y el rendimiento de las fases permiten 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.