La ricerca nel campo delle nanoparticelle ha fatto passi da gigante negli ultimi anni, con applicazioni che spaziano dalla medicina all’ingegneria ambientale. In particolare, le nanoparticelle giocano un ruolo chiave nelle reazioni coinvolte in una varietà di tecnologie per l’energia pulita e per la tutela dell’ambiente. Ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) e colleghi hanno dimostrato un metodo per controllare con precisione la dimensione, la composizione e altre proprietà delle nanoparticelle, sfruttando la tecnica dell’irraggiamento ionico, un processo in cui fasci di particelle cariche bombardano un materiale.
Il potenziale delle nanoparticelle
Le nanoparticelle create attraverso questo metodo hanno mostrato prestazioni superiori rispetto a quelle prodotte con metodi convenzionali. ”I materiali su cui abbiamo lavorato potrebbero far progredire diverse tecnologie, dalle celle a combustibile per generare elettricità senza CO2 alla produzione di idrogeno pulito per l’industria chimica [attraverso celle di elettrolisi]”, afferma Bilge Yildiz, leader del lavoro e professore nei dipartimenti di Scienza e Ingegneria Nucleare e Scienza e Ingegneria dei Materiali del MIT.
Il ruolo cruciale dei catalizzatori
Le celle a combustibile e le celle di elettrolisi coinvolgono reazioni elettrochimiche attraverso tre parti principali: due elettrodi (un catodo e un anodo) separati da un elettrolita. La differenza tra le due celle è che le reazioni coinvolte procedono in senso inverso. Gli elettrodi sono rivestiti di catalizzatori, materiali che accelerano le reazioni coinvolte. Tuttavia, un catalizzatore critico fatto di materiali a base di ossido metallico è stato limitato da sfide, tra cui la bassa durabilità. “Le particelle del catalizzatore metallico si ingrossano ad alte temperature, e si perde superficie attiva e attività di conseguenza”, dice Yildiz, che è anche affiliato al Materials Research Laboratory e autore di un articolo in open access sul lavoro pubblicato sulla rivista Energy & Environmental Science.
La soluzione dell’esoluzione metallica
Entra in gioco l’esoluzione metallica, che comporta la precipitazione di nanoparticelle metalliche da un ossido ospite sulla superficie dell’elettrodo. Le particelle si ancorano all’elettrodo, “e questo ancoraggio le rende più stabili”, afferma Yildiz. Di conseguenza, l’esoluzione ha “portato a notevoli progressi nella conversione dell’energia pulita e nei dispositivi di calcolo energeticamente efficienti”, scrivono i ricercatori nel loro articolo.
Il ruolo dell’irraggiamento ionico
Tuttavia, controllare le proprietà precise delle nanoparticelle risultanti è stato difficile. “Sappiamo che l’esoluzione può darci nanoparticelle stabili e attive, ma la parte difficile è davvero controllarla. La novità di questo lavoro è che abbiamo trovato uno strumento – l’irraggiamento ionico – che può darci quel controllo”, dice Jiayue Wang PhD ’22, primo autore dell’articolo. Wang, che ha condotto il lavoro mentre conseguiva il suo dottorato nel Dipartimento di Scienza e Ingegneria Nucleare del MIT, è ora un postdoc alla Stanford University.
Sossina Haile ’86, PhD ’92, professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali alla Northwestern University, che non è stato coinvolto nel lavoro attuale, dice: “Le nanoparticelle metalliche servono come catalizzatori in una serie di reazioni, incluso l’importante processo di scissione dell’acqua per generare idrogeno per lo stoccaggio energetico. In questo lavoro, Yildiz e colleghi hanno creato un metodo ingegnoso per controllare il modo in cui si formano le nanoparticelle”.
Haile continua, “la comunità ha dimostrato che l’esoluzione porta a nanoparticelle strutturalmente stabili, ma il processo non è facile da controllare, quindi non si ottengono necessariamente il numero ottimale e la dimensione delle particelle. Utilizzando l’irraggiamento ionico, questo gruppo è stato in grado di controllare con precisione le caratteristiche delle nanoparticelle, ottenendo un’eccellente attività catalitica per la scissione dell’acqua”.
Le scoperte del team di ricerca
I ricercatori hanno scoperto che puntare un fascio di ioni sull’elettrodo mentre contemporaneamente si esolvono nanoparticelle metalliche sulla superficie dell’elettrodo ha permesso loro di controllare diverse proprietà delle nanoparticelle risultanti. “Attraverso interazioni ione-materia, siamo riusciti a ingegnerizzare la dimensione, la composizione, la densità e la posizione delle nanoparticelle esolute”, scrive il team in Energy & Environmental Science.
Ad esempio, sono stati in grado di rendere le particelle molto più piccole – fino a 2 miliardesimi di metro di diametro - rispetto a quelle prodotte utilizzando solo metodi termici di esoluzione convenzionali. Inoltre, sono stati in grado di cambiare la composizione delle nanoparticelle irradiando con elementi specifici. Hanno dimostrato ciò con un fascio di ioni di nichel che ha impiantato nichel nella nanoparticella metallica esoluta. Di conseguenza, hanno dimostrato un modo diretto e conveniente per ingegnerizzare la composizione delle nanoparticelle esolute.
“Vogliamo avere nanoparticelle multi-elemento, o leghe, perché di solito hanno un’attività catalitica più elevata”, dice Yildiz. “Con il nostro approccio, l’obiettivo dell’esoluzione non deve dipendere dall’ossido di substrato stesso”. L’irraggiamento apre la porta a molte più composizioni. “Possiamo praticamente scegliere qualsiasi ossido e qualsiasi ione con cui possiamo irradiare ed esolvere quello”, dice Yildiz.
Il team ha anche scoperto che l’irraggiamento ionico forma difetti nell’elettrodo stesso. E questi difetti forniscono ulteriori siti di nucleazione, o luoghi da cui possono crescere le nanoparticelle esolute, aumentando la densità delle nanoparticelle risultanti.
L’irraggiamento potrebbe anche consentire un controllo spaziale estremo sulle nanoparticelle. “Poiché è possibile focalizzare il fascio di ioni, si può immaginare di poter ‘scrivere’ con esso per formare specifiche nanostrutture”, dice Wang. ”Abbiamo fatto una dimostrazione preliminare [di ciò], ma crediamo che abbia il potenziale per realizzare micro- e nano-strutture ben controllate”.
Il team ha anche dimostrato che le nanoparticelle create con l’irraggiamento ionico avevano un’attività catalitica superiore rispetto a quelle create solo con l’esoluzione termica convenzionale.
