Gli ioni d'argento si affrettano e poi aspettano mentre si disperdono: i chimici del riso mostrano che il rilascio graduale degli ioni dalle nanoparticelle di oro e argento potrebbe essere una proprietà utile

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I chimici della Rice University e dell'Università di Duisburg-Essen, in Germania, hanno quantificato il rilascio di ioni d'argento dalle leghe di nanoparticelle oro-argento. In alto, le immagini del microscopio elettronico a trasmissione mostrano il cambiamento di colore quando l'argento (in blu) fuoriesce da una nanoparticella per diverse ore, lasciando dietro di sé atomi d'oro. Le immagini iperspettrali sul fondo mostrano quanto una nanoparticella di argento e oro si sia ridotta in quattro ore mentre l'argento si è allontanato. (Credito: Rice University)

Abstract:
C'è oro in quelle nanoparticelle, e c'era anche molto argento. Ma gran parte dell'argento è stato colato via e i ricercatori vogliono sapere come.

Gli ioni d'argento si affrettano, quindi aspettano che si disperdano: i chimici del riso mostrano che il rilascio graduale di ioni dalle nanoparticelle oro-argento potrebbe essere una proprietà utile

Houston, TX | Pubblicato il 23 aprile 2021

Le leghe oro-argento sono catalizzatori utili che degradano gli inquinanti ambientali, facilitano la produzione di plastica e sostanze chimiche e uccidono i batteri sulle superfici, tra le altre applicazioni. In forma di nanoparticelle, queste leghe potrebbero essere utili come sensori ottici o per catalizzare le reazioni di evoluzione dell'idrogeno.

Ma c'è un problema: l'argento non rimane sempre al suo posto.

Un nuovo studio condotto da scienziati della Rice University e dell'Università di Duisburg-Essen, in Germania, rivela un meccanismo in due fasi alla base della dissipazione dell'argento, una scoperta che potrebbe aiutare l'industria a mettere a punto le leghe di nanoparticelle per usi specifici.

Il team guidato dai chimici della Rice Christy Landes e Stephan Link e dallo studente laureato Alexander Al-Zubeidi e dal chimico di Duisburg-Essen Stephan Barcikowski hanno impiegato una microscopia sofisticata per mostrare come l'oro potrebbe trattenere abbastanza argento per stabilizzare la nanoparticella.

Il loro studio appare sulla rivista ACS Nano dell'American Chemical Society.

I ricercatori hanno utilizzato un microscopio per immagini a campo scuro iperspettrale per studiare nanoparticelle di lega oro-argento contenenti un eccesso di argento in una soluzione acida. La tecnica ha permesso loro di innescare plasmoni, increspature di energia che scorrono sulla superficie delle particelle quando vengono accese. Questi plasmoni diffondono la luce che cambia con la composizione della lega.

"La dipendenza del plasmone dalla composizione della lega ci ha permesso di registrare la cinetica di lisciviazione degli ioni d'argento in tempo reale", ha affermato Al-Zubeidi, autore principale dello studio.

Al-Zubeidi ha notato che le pellicole di lega d'oro e d'argento sono state utilizzate per decenni, spesso come rivestimenti antibatterici, perché gli ioni d'argento sono tossici per i batteri. "Penso che il meccanismo di rilascio dell'argento sia stato implicato da studi sui film in lega, ma non è mai stato dimostrato in modo quantitativo", ha detto.

Inizialmente, gli ioni d'argento filtrano rapidamente dalle nanoparticelle, che di conseguenza si restringono letteralmente. Mentre il processo continua, il reticolo d'oro nella maggior parte dei casi rilascia tutto l'argento nel tempo, ma circa il 25% delle particelle si comporta in modo diverso e la lisciviazione dell'argento è incompleta.

Al-Zubeidi ha detto che ciò che hanno osservato suggerisce che l'oro potrebbe essere manipolato per stabilizzare le nanoparticelle di lega.

"Di solito la lisciviazione dell'argento durerebbe circa due ore nelle nostre condizioni", ha detto. “Quindi, nella seconda fase, la reazione non avviene più in superficie. Invece, quando il reticolo d'oro si riorganizza, gli ioni d'argento devono diffondersi attraverso questo reticolo ricco di oro per raggiungere la superficie, dove possono essere ossidati. Ciò rallenta molto la velocità di reazione.

"Ad un certo punto, le particelle si passivano e non può più accadere alcuna lisciviazione", ha detto Al-Zubeidi. “Le particelle diventano stabili. Finora, abbiamo esaminato solo le particelle con un contenuto di argento dell'80% -90% e abbiamo scoperto che molte particelle smettono di lisciviare l'argento quando raggiungono un contenuto di argento di circa il 50%.

"Potrebbe essere una composizione interessante per applicazioni come la catalisi e l'elettrocatalisi", ha detto. "Vorremmo trovare un punto debole intorno al 50%, dove le particelle sono stabili ma hanno ancora molte delle loro proprietà simili all'argento".

La comprensione di tali reazioni potrebbe aiutare i ricercatori a costruire una libreria di catalizzatori oro-argento ed elettrocatalizzatori per varie applicazioni.

Link ha detto che il team di Rice ha accolto con favore l'opportunità di lavorare con Barcikowski, leader nel campo della sintesi di nanoparticelle tramite ablazione laser. "Questo rende possibile creare nanoparticelle di lega con varie composizioni e prive di leganti stabilizzanti", ha detto.

"Dalla nostra parte, abbiamo avuto la tecnica perfetta per studiare il processo di lisciviazione di ioni d'argento da molte nanoparticelle di lega singola in parallelo tramite imaging iperspettrale", ha aggiunto Landes. "Solo un approccio a particella singola è stato in grado di risolvere la geometria intra e interparticellare."

"Questo sforzo consentirà un nuovo approccio per generare catalizzatori nanostrutturati e nuovi materiali con proprietà elettrochimiche, ottiche ed elettroniche uniche", ha affermato Robert Mantz, responsabile del programma per l'elettrochimica presso l'Esercito Research Office, un elemento del US Army Combat Capabilities Command's Army Research Laboratorio. "La capacità di personalizzare i catalizzatori è importante per raggiungere l'obiettivo di ridurre il peso sopportato dai soldati associato all'accumulo e alla generazione di energia e consentire una nuova sintesi di materiale".

Co-autori del documento sono gli studenti laureati della Rice Charlotte Flatebo e Seyyed Ali Hosseini Jebeli e lo studente laureato di Duisburg-Essen Frederic Stein e il ricercatore Christoph Rehbock. Link è un professore di chimica e di ingegneria elettrica e informatica. Landes è un professore di chimica e di ingegneria elettrica e informatica e ingegneria chimica e biomolecolare. Barcikowski è professore di chimica presso il Technical Chemistry Institute e il Center for Nanointegration a Duisburg-Essen.

L'Esercito Research Office, una National Defense Science and Engineering Graduate Fellowship, la Robert A. Welch Foundation, la National Science Foundation e la German Research Foundation hanno sostenuto lo studio.

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A proposito di Rice University
Situata in un campus boscoso di 300 acri a Houston, la Rice University è costantemente classificata tra le migliori 20 università della nazione da US News & World Report. Rice ha scuole di architettura, economia, studi continui, ingegneria, scienze umane, musica, scienze naturali e scienze sociali molto rispettate ed è sede del Baker Institute for Public Policy. Con 3,978 studenti universitari e 3,192 studenti laureati, il rapporto studenti universitari di Rice è di poco inferiore a 6 a 1. Il suo sistema di college residenziali costruisce comunità unite e amicizie per tutta la vita, solo uno dei motivi per cui Rice è classificata al primo posto per molte interazioni tra razza e classe e al numero 1 per la qualità della vita dalla Princeton Review. Il riso è anche valutato come il miglior valore tra le università private dalla Finanza personale di Kiplinger.

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