Un aperçu rare de la croissance des nanoparticules
"Il s'agit d'un facteur clé pour la conception de catalyseurs et de capteurs très actifs et très sensibles".
Comment se forment exactement les nanoparticules en solution ? Des chercheurs de l'Université de Hambourg et de DESY ont maintenant pu observer la croissance des nanoparticules en solution en temps réel. Dans la revue Nature Communications, ils rendent compte de leurs observations en utilisant la méthode de ptychographie aux rayons X, qui fournit une vue microscopique des processus dynamiques.
Image de microscopie électronique à balayage (à gauche) des nanocubes de cuivre creux à l'extérieur du réacteur chimique. La ptychographie à rayons X (à droite) n'offre pas la même résolution, mais permet de suivre la croissance à l'intérieur du réacteur chimique en temps réel.
Grote et al., „Nature Communications“; CC BY 4.0, link: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Les nanoparticules creuses dont la taille est de l'ordre de plusieurs centaines de nanomètres (un nanomètre est un millionième de millimètre) ont un large potentiel d'application, par exemple dans les batteries lithium-ion, comme capteurs et pour la production (photo-)catalytique d'énergie. "Pour obtenir la fonctionnalité et les performances élevées souhaitées, il est essentiel de contrôler précisément la structure et la forme des nanoparticules pendant leur croissance", explique le premier auteur, Lukas Grote, doctorant dans le groupe de Dorota Koziej à l'université de Hambourg et dans le pôle d'excellence "CUI : Advanced Imaging of Matter".
Il existe de nombreuses voies qui mènent à des matériaux complexes et hiérarchisés. Toutefois, en raison du manque de méthodes expérimentales appropriées, comprendre et manipuler le cours des changements sous-jacents des nanoparticules reste un défi majeur.
Les techniques de microscopie, qui permettent de suivre ces processus en temps réel, devraient résoudre le problème : la microscopie électronique à transmission (MET) à cellule liquide peut fournir une résolution spatiale jusqu'à l'échelle atomique. Cependant, son applicabilité à la croissance de nanoparticules en solution est limitée, car elle nécessite des réacteurs minces avec de petits volumes qui peuvent altérer le cheminement. La microscopie à rayons X utilisant le rayonnement synchrotron permet de surmonter ces limites.
Les rayons X durs ont le pouvoir de pénétrer les réacteurs chimiques épais, tout en permettant de visualiser les nanoparticules en croissance à une résolution spatiale aussi élevée que 10 nanomètres. "La méthode de ptychographie par rayons X, dans laquelle une image est obtenue par calcul à partir de la superposition d'ondes lumineuses de rayons X oscillant à l'unisson, étend ces avantages car elle nous donne la possibilité d'interpréter les images de manière quantitative", explique M. Grote. De cette manière, il est possible de conclure sur la forme tridimensionnelle des nanoparticules.
Pour leur étude actuelle, l'équipe a utilisé la station expérimentale P06 de la source de lumière à rayons X PETRA III de DESY, en collaboration avec le groupe de recherche du scientifique Christian Schroer de DESY. "Notre objectif était de suivre la croissance des nanocubes d'oxyde cuivreux et leur transformation ultérieure en structures creuses de cuivre par ptychographie à rayons X", explique M. Schroer. Les observations montrent que : les particules se développant sur les fenêtres du réacteur ont développé une forme plus plate, tandis que les particules en solution ont pris une forme cubique régulière. Les nanocubes ont ensuite été réduits en cuivre métallique dans une réaction à l'état solide. Des vides se sont formés au centre des particules et se sont étendus vers la surface, donnant naissance à des nanocubes creux.
"Ces rares aperçus visuels des changements structurels en solution sont importants pour comprendre d'où proviennent les différentes formes des nanomatériaux", conclut Koziej. "C'est un facteur clé pour la conception de catalyseurs et de capteurs hautement actifs et très sensibles." La méthode peut être appliquée à un large éventail de matériaux et de conditions de réaction, complétant ainsi les capacités du TEM en cellule liquide.
Des chercheurs de l'Universität Hamburg, du Conseil national de la recherche d'Italie, de l'Université de Cambridge au Royaume-Uni, de l'Université d'État de Sao Paulo au Brésil, de l'Institut Paul Scherrer en Suisse et de DESY ont contribué à cette recherche.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Imaging Cu2O nanocube hollowing in solution by quantitative in situ X-ray ptychography; Lukas Grote, Martin Seyrich, Ralph Döhrmann, Sani Y. Harouna-Mayer, Federica Mancini, Emilis Kaziukenas, Irene Fernandez-Cuesta, Cecilia A. Zito, Olga Vasylieva, Felix Wittwer, Michal Odstrčzil, Natnael Mogos, Mirko Landmann, Christian G. Schroer, and Dorota Koziej; „Nature Communications“, 2022
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