日本东工大开发出多元合金纳米颗粒的新合成方法

新技术 2018年10月03日
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日本东京工业大学和理化学研究所组成的研发小组新开发了“原子混合法”,能在极微小的纳米颗粒中,以不同的比例和组合混合多种金属元素。利用这种方法,首次成功合成了分别混合5种和6种金属的多元合金纳米颗粒。

以往的方法在合成多元合金纳米颗粒时,最多只实现过3种金属的均匀合金化。而利用此次开发的“原子混合法”,不仅合成的金属元素种类多,而且,如果将纳米颗粒的尺寸和混合比例也考虑在内,就可以实现非常多的组合,有助于形成新的物质群和开拓新领域。另外,利用该方法还有望开发出目前尚未发现的新型功能材料。

相关论文发表在2018年9月24日发行的英国科学杂志《自然通讯》(Nature Communications)的在线版上。

<研发背景>

混合多种金属元素的多元合金纳米颗粒因功能丰富而得到广泛研究。如果可以自由混合各种金属元素,则有助于开发高功能材料和发现新物质。但如果混合的金属种类太多,不同的金属在纳米颗粒中会相互分离,因此,以前最多只均匀混合了3种金属。

尺寸比普通纳米颗粒更小、粒径达到1nm的极微小颗粒被认为不会发生金属之间的分离,能混合3种以上的金属。但以前的方法一直未确立在1nm的极微小区域精确控制颗粒尺寸和混合比例来合成合金纳米颗粒的技术。

<研究成果>

研发小组此次开发了能在粒径约1nm的极微小纳米颗粒中,以不同的比例和组合自由混合5种以上金属的“原子混合法”。这种方法把具备树状规则结构的树形聚合物作为铸模使用,在树形聚合物结构中导入多种金属离子,通过化学还原这些金属离子来合成多元合金纳米颗粒。此次首次成功合成了混合5种和6种金属的合金纳米颗粒。利用“原子混合法”合成合金纳米颗粒时,可以精确控制颗粒尺寸和合金混合比例(图1)。而不采用树形聚合物的普通方法很难控制颗粒尺寸和混合比例,会出现金属之间相互分离的现象(图2)。

日本东工大开发出多元合金纳米颗粒的新合成方法

图1:新开发的原子混合法
从图中可以看出,在1nm左右的纳米颗粒中混合了5种金属元素。

日本东工大开发出多元合金纳米颗粒的新合成方法

图2:不采用树形聚合物铸模的普通合金纳米颗粒的合成法
从图中可以看出,尺寸超过10nm后,颗粒变大,金属在颗粒内相互分离。

<未来展望>

研发小组利用本次研究开发的“原子混合法”,成功合成出控制了尺寸和比例的多元合金纳米颗粒,这在以前是很难实现的。利用该方法还可以混合正常情况下无法混合的金属元素。

目前元素周期表上的元素有118种。如果把颗粒中的元素组合和比例也考虑在内,存在无限大的组合。利用这种新方法,有望发现以前未研究过的未知物质群和开拓新领域。另外,将来还可能从这些未知物质群中开发出新的功能材料。

文 客观日本编辑部

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