Новости: Физика

Бифункциональные наночастицы (часто называемые наночастицами - янусами) обладают уникальными электрическими, магнитными, оптическими и каталитическими свойствами, и хотя важным этапом их изучения является оценка силы взаимодействия между наночастицами, таких исследований практически не проводилось. Одним из первых примеров таких исследований стало изучение роста наночастиц золота на композитной наночастице Au-Fe₃O₄. Оказалось, что при росте вторичных частиц золота между ними и композитом Au-Fe₃O₄ происходит "перетягивание простыни" (Au), результатом которого является образование частиц Au-Au и частиц Fe₃O₄ с полостью, ранее занимаемой золотом. Контроль размера частиц и теоретическое моделирование позволило определить, что такое перетягивание вызвано напряжением, связанным с существованием гетерогенной границы в нанокомпозите Au-Fe₃O₄. Важность такого исследования объясняется возможностью использования таких наночастиц с границей металл-полупроводник, например, при создании светособирающих и каталитических наноустройств. Например, наночастицы золото-оксид металла эффективно катализируют окисление СО.
На Рис. 1а показан способ контролируемого синтеза таких наночастиц. Изначально по ранее изученной методике синтезировали Au-Fe₃O₄, на котором затем наращивали новый слой Au. В исходной наночастице размер наночастицы Au составляет 5 нм, а размер Fe₃O₄ - 12 нм. Размер вторичной частицы золота составлял 7-9 нм после 1 часа (Рис. 1с) и >12 нм после 3 часов (Рис. 1d). Тщательное изучение ПЭМ после 3 часов показывает возникновение зазоров, а после 6 часов (Рис. 1е) золото окончательно побеждает в борьбе и происходит разделение золота и Fe₃O₄ с образованием отдельных наночастиц Au-Au и частиц Fe₃O₄ с полостью.
ПЭМ высокого разрешения показывает по отдельности все встречающиеся типы наночастиц: Au-Fe₃O₄ (Рис. 2а), Au-Au-Fe₃O₄ (Рис. 2b), Au-Au (Рис. 1c) и Fe₃O₄ с полостью (Рис. 2d). Последние два показаны крупнее на Рис. 2e,f. Видно, что рост золота на золоте происходит эпитаксиально, и видны параллельные плоскости на расстоянии около 0.237 нм, что соответствует гранецентрированной кубической структуре, а в случае оксида железа расстояние 0.296 соответствует плоскостям 220.
Теоретическое исследование осложняется тем, что, в отличие от всех систем, изученных ранее, здесь, поверхностная энергия при образовании димера Au-Au выше по сравнению с одной большой наночастицей и даже возрастает за счет образования новых поверхностей на Au и Fe₃O₄. Поэтому явлению было дано механистическое объяснение, основанное на расчете свободной энергии. Определение критического размера частицы золота, способной быть "перетянутой", дало следующее значение:
R=a/bx(Г_F+Г_A-Г)/(Еe_m), где a и b - геометрические константы, Г_F, Г_A и Г - поверхностные энергии оксида железа, золота и границы между ними, Е - модуль Юнга, а e_m - напряжение, возникающее из-за несоответствия параметров. Это соответствует R=4.4, что совпадает с теоретическими данными. Оценка критического размера Au проводилась исходя из оценки критического напряжения деформирования поверхности s, после которого происходит разрыв (Рис. 3). Оно должно уравновешивать 1) напряжение частиц оксида радиуса R_F, 2Г_F/R_F, 2) напряжение частиц золота радиуса R_А, 2Г_А/R_А и 3) напряжение между границами, 2Г/R: 2Г_F/R_F + 2Г_А/R_А + 2Г/R<s, что дает граничное значение 9.4 нм и соответствует эксперименту.
Это интересное явление "эгоцентричного" поведения наночастиц, как видно, объясняется элементарными физическими законами, что весьма характерно для наномира.