استفاده بالقوه از نیکل در نانومواد جدید و به‌عنوان کاتالیزور کم‌هزینه در واکنش‌های شیمیایی که طیف وسیعی از فرآیندهای صنعتی را انجام می‌دهد، به دلیل درک محدودی از جنبه‌های اساسی از چگونگی متبلور شدن فلز به جامد، متوقف شده است. اما اکنون محققان توانسته‌اند چنین تبلور دو شکل ساختاری نیکل را در مقیاس اتمی با استفاده از میکروسکوپ الکترونی فاز مایع مشاهده کنند.
مقاله ای که مشاهدات آنها را توصیف می کند در مجله Nano Research منتشر شد.
کاتالیزورها – هر ماده ای که سرعت واکنش شیمیایی را افزایش می دهد – برای تولید هزاران محصول صنعتی ضروری است، اما یکی از چالش هایی که استفاده از آنها در طیف وسیعی از اهداف، به ویژه فناوری های انرژی، وجود دارد، این است که بسیاری از آنها فلزات گرانبها هستند. به عنوان مثال، پلاتین، که قیمت آن صدها دلار در هر اونس است، به عنوان یک کاتالیزور برای تسریع واکنش‌های کافی برای دوام بخشیدن به طیف وسیعی از منابع سوخت پاک استفاده می‌شود.
از سوی دیگر نیکل یکی از فراوان‌ترین فلزات در پوسته زمین است و به همین دلیل قیمتی معادل یک اونس دارد. نیکل همچنین در محیط های مختلف بسیار پایدار است. در نتیجه، کاتالیزورهای مبتنی بر نیکل اخیراً به دلیل کاربردهای متنوع کاتالیزوری مورد توجه تحقیقاتی قابل توجهی قرار گرفته‌اند. اما کاتالیزورهای حاوی فلزات گرانبها نسبت به نیکل سرعت واکنش ها را افزایش می دهند.
طیف وسیعی از استراتژی‌ها برای بهبود قابلیت کاتالیزوری نیکل و به کارگیری نیکل به عنوان جزئی از نانومواد جدید ایجاد شده است، اما برای اینکه هنوز پیشرفت بیشتری حاصل شود، محققان باید کار بهتری برای درک برخی از اساسی‌ترین جنبه‌های چگونگی انجام دهند. شکل‌های نیکل و ساختار آن در حین انجام آن.
برای انجام چنین تحقیقاتی، آنها کریستال های نیکل را در بسیار ریزترین حالت خود، در ابتدای شکل گیری (یا هسته زایی) آنها از یک مایع کاوش می کنند. اینها نانوکریستال نامیده می شوند – هر ذره بلوری که حداقل یکی از اضلاع آن کمتر از 100 نانومتر (یک هزار میلیونیم متر) باشد.
نانوبلورهای نیکل دو شکل شبکه بلوری دارند: یک ساختار مکعبی و دیگری شش ضلعی که «هگزاگونال-بسته بسته» یا hcp نامیده می شود. درک مکانیسم چگونگی ظهور این دو ساختار شبکه – فرآیند تبلور – تا حد زیادی ناشناخته باقی مانده است. برای دستیابی به درک عمیق از فرآیند تبلور مورد نظر، نیاز به مشاهده مستقیم در زمان واقعی مسیرهای هسته‌زایی نانوبلورهای نیکل hcp در سطح اتمی است.
محققان دیگر در تصویربرداری بلادرنگ از مسیرهای تبلور نانوبلورهای نقره و طلا با استفاده از میکروسکوپ الکترونی فاز مایع به موفقیت دست یافتند و مکانیسم‌های هسته‌زایی چند مرحله‌ای تشکیل کریستال این عناصر را آشکار کردند.
میکروسکوپ الکترونی شامل استفاده از یک پرتو الکترون برای روشن کردن یک مورد مورد نظر به جای فوتون مانند یک میکروسکوپ معمولی است. این به این دلیل است که طول موج یک الکترون بسیار کوچکتر از طول موج فوتون هایی است که نور مرئی را تشکیل می دهند و امکان بررسی اجسام بسیار ریز را فراهم می کند. میکروسکوپ الکترونی فاز مایع شامل همین فرآیند است، اما امکان مشاهده نمونه‌ها در مایع را فراهم می‌کند. از آنجایی که هدف دقیقاً چگونگی بیرون آمدن بلورهای جامد از مایع است، میکروسکوپ الکترونی فاز مایع ابزار قدرتمندی برای مشاهده چنین هسته‌زایی و رشد نانوبلورها بوده است.
در اصل، نانوبلورهای Ni می‌توانند در فازهای fcc یا hcp متبلور شوند. معمولاً تشکیل فاز جدید نانوبلورها به انرژی جذب سورفکتانت و انرژی سطح سطوح در معرض آن بستگی دارد. جونیو ژانگ، یکی از نویسندگان مقاله و محققی که در این مقاله انجام شده است، می گوید: برخی از محققان قبلاً از این روش برای بررسی تشکیل شکل ساختاری مکعبی نانوبلورهای نیکل در محلول رشد همگن Ni(II) حاوی کمپلکس های نیکل آمین-استات استفاده کرده بودند. مرکز تحلیل ابزاری در دانشگاه هوآکیائو. و اکنون، در این کار، هم مطالعه TEM سلول مایع درجا و هم محاسبات نظری، ویژگی‌های غیرکلاسیک تبلور hcp Ni در محلول N,N-Dimethylformamide (DMF) را با نرخ دوز بالای پرتو الکترونی شناسایی کردند.
محققان محلول مایعی را با هم مخلوط کردند که حاوی نیکل بیش از حد قابل حل بود (محلول فوق اشباع)، بنابراین هر مقدار اضافی به طور طبیعی به صورت جامد رسوب می‌کند (به عبارت دیگر از طریق کریستالیزاسیون). آنها سپس از میکروسکوپ الکترونی فاز مایع برای مشاهده در زمان واقعی هسته‌زایی استفاده کردند.
به ویژه، آنها تجسم بیدرنگ و مستقیم فرآیندهای دینامیکی تبلور با واسطه فاز آمورف نانوذرات Ni hcp با وجه (10) یا hcp Ni (0001) را در یک محلول همگن از طریق تجزیه اسپینودال، انجماد، و اتمی گزارش کرده‌اند. تبلور مقیاس تحت سرعت دوز بالا پرتو الکترونی. آنها همچنین رشد وجهی نانوبلور نیکل را با رشد لایه به لایه تصویر کردند. در نهایت، نیکل ناپایدار در محلول حل شد.
محققان معتقدند که با درک مراحل اساسی تشکیل کریستال های نیکل در کوچکترین اندازه آنها، این می تواند بینش منحصر به فردی را برای طراحی آینده سیستم ها و کاتالیزورهای مواد hcp-نیکل ارائه دهد.
– این بیانیه مطبوعاتی توسط انتشارات دانشگاه Tsinghua ارائه شده است