Команда ученых из нескольких институтов разработала новый метод, который позволяет объединять ионы из восьми различных элементов для формирования так называемых наночастиц с высоким энтропийным сплавом. Атомы элементов, составляющих эти частицы, распределяются равномерно по каждой наночастице, образуя единую твердотельную кристаллическую структуру – подвиг, которого ещё никто ранее не достигал более чем с тремя элементами. Такие наночастицы могут иметь широкое применение в качестве катализаторов.
На протяжении долгих лет специалисты по материаловедению не предпринимали серьезных попыток создать материалы, содержащие более трех элементов, из-за стремления атомов каждого элемента объединиться. Ученые также предположили, что такие многоэлементные материалы не будут иметь каких-либо ценных приложений реального мира. Ученые также предполагали, что такие многоэлементные материалы не будут иметь каких-либо ценных практических применений в реальном мире.
Однако теперь, используя просвечивающую электронную микроскопию, исследователи из Университета штата Иллинойс в Чикаго (UIC) доказали, что несколько элементов, которые, как считалось, были не способны образовывать единый материал, всё-таки могут это сделать. Исследователи наглядно показали, как восемь элементов могут сформировать наночастицы шириной не более 100 нм с однородной кристаллической структурой.
Как считают сами исследователи, это действительно может изменить отношение людей к материалам, которые ранее считались не поддающимися смешению. Ученые из Мэриленда использовали двухступенчатый процесс, который включал короткий тепловой «шок» (удар), а затем быстрое охлаждение, чтобы получить ионы различных элементов, которые обычно не образуют сплавов для смешивания и стабилизации в кристаллических наночастицах. Во время быстрой фазы охлаждения эти ионы образуют единый твердый кристалл, содержащий однородную гомогенную смесь нескольких элементов.
«В атомном масштабе различные ионы находятся рядом друг с другом», – пояснил один из авторов работы. «Таким, например, атом золота находился бы рядом с атомом никеля, рядом с атомом меди, рядом с атомом платины, образуя однородную смешанной наночастицу, которая выглядела бы как один целый уникальный материал».
Для подтверждения однородности наночастиц использовалась расширенная просвечивающая электронная микроскопия для отображения кристаллов и идентификации отдельных атомов. Они смогли определить, что на атомном уровне наночастицы были изготовлены из гомогенных смесей различных комбинаций платины, кобальта, никеля, меди, железа, палладия и золота. Они смогли дать окончательное подтверждение тому, что у этих наночастиц не было кусков какого-то одного элемента, напротив, каждый компонент был распределен поровну во всей наночастице.
Ученые из Университета Джона Хопкинса смогли продемонстрировать одно из возможных применений наночастиц – в качестве улучшенных катализаторов окисления аммония, что является ключевым этапом в производстве азотной кислоты. Они смогли достичь 100%-ного окисления аммиака с помощью частиц, доказав их способности в качестве полезных катализаторов.
По правде говоря, учёные не могут до конца утверждать, как именно эти наночастицы смогут быть ещё использованы в силу того, что ранее подобное не осуществлялось. Учебники по материаловедению же предлагают только сплавы, возможно, трех разных элементов, поэтому это действительно новая область для дальнейших исследователей.
