Una svolta per il futuro: nanocristalli di amalgama

I nanocristalli sono sfere di pochi nanometri composte da atomi disposti regolarmente. Grazie alle loro proprietà favorevoli, stanno guadagnando terreno in diverse tecnologie. I nanocristalli di semiconduttori, ad esempio, sono utilizzati nella nuova generazione di schermi televisivi. Recentemente, i cosiddetti nanocristalli intermetallici, in cui due metalli diversi formano un reticolo cristallino comune, stanno attirando sempre più attenzione perché promettono applicazioni potenti e uniche. Queste spaziano dalla catalisi all'archiviazione dei dati, fino alla medicina.

In teoria, esistono decine di migliaia di possibili combinazioni di metalli che potrebbero formare tali nanocristalli, con le relative diverse proprietà dei materiali. Finora, tuttavia, solo poche combinazioni sono state utilizzate per produrre nanocristalli. I ricercatori dell'ETH di Zurigo, guidati da Maksym Yarema e Vanessa Wood dell'Istituto di Elettronica, hanno ora sviluppato una nuova tecnica che consente di realizzare in linea di principio quasi tutte le possibili combinazioni di nanocristalli intermetallici. I risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Science Advances.

Un metodo sorprendentemente intuitivo

"Il nostro metodo è semplice e intuitivo, tanto da sorprenderci che nessuno abbia avuto questa idea prima di noi", afferma Yarema. Nei metodi convenzionali per la produzione di nanocristalli da un singolo metallo, gli atomi di metallo vengono aggiunti in forma molecolare, ad esempio sotto forma di sali, a una soluzione in cui poi crescono i nanocristalli. "In teoria, è possibile farlo anche con due metalli diversi, ma in pratica è difficile o addirittura impossibile combinare metalli molto diversi in una provetta", spiega Yarema. Gli scienziati dell'ETH hanno quindi fatto ricorso a un processo utilizzato da secoli: l'amalgama, ovvero un modo specifico di fondere o mescolare i metalli.

Metalli liquidi

Le amalgame sono note soprattutto in odontoiatria, dove vengono utilizzate come materiale per le otturazioni, e anche per l'estrazione dell'oro. In entrambi i casi, il mercurio liquido viene aggiunto per sciogliere altri metalli (una miscela di rame, stagno e argento per le otturazioni dentali). Tuttavia, l'amalgama funziona anche con qualsiasi altro metallo liquido. Oltre al mercurio, che è già liquido a temperatura ambiente, esistono diversi metalli con punti di fusione relativamente bassi, come il gallio (30 gradi Celsius), l'indio (157 gradi) o lo stagno (232 gradi).

Principio dell'amalgama per i nanocristalli

Yarema e i suoi colleghi utilizzano il principio dell'amalgama su scala nanometrica. La reazione inizia con la dissoluzione di nanocristalli costituiti da un singolo metallo, ad esempio l'argento. Poi gli atomi del secondo metallo - ad esempio il gallio - vengono aggiunti in forma molecolare (in questo caso come ammidi, un composto di carbonio, idrogeno, azoto e ossigeno), mentre la miscela viene riscaldata a quasi 300 gradi.

A causa dell'alta temperatura, i legami chimici dell'ammide di gallio si rompono e il gallio liquido si deposita sui nanocristalli di argento. A questo punto inizia il processo di amalgama vero e proprio, in cui il gallio liquido si insinua nell'argento solido. In questo modo si forma gradualmente un nuovo reticolo cristallino in cui gli atomi di argento e gallio sono disposti in modo regolare. Il tutto viene poi raffreddato nuovamente e dopo dieci minuti i nanocristalli sono pronti. "Siamo stupiti dall'efficienza con cui l'amalgama funziona su scala nanometrica. Il componente metallico liquido è la chiave per la formazione rapida e uniforme di una lega nei singoli nanocristalli", spiega Yarema.

Processo controllabile

Utilizzando la stessa tecnica, i ricercatori hanno già prodotto diversi nanocristalli intermetallici, tra cui oro-gallio, rame-gallio e palladio-zinco. Il processo di amalgama può essere controllato con precisione. La quantità di atomi secondari, che vengono aggiunti alla soluzione sotto forma di ammidi, consente di controllare con precisione il rapporto tra i metalli nei nanocristalli. Utilizzando l'esempio dell'oro-gallio (simboli chimici Au e Ga), gli scienziati hanno dimostrato che i nanocristalli possono essere prodotti in un'ampia gamma di rapporti, come 1:2 (AuGa₂), 1:1 (AuGa) o 7:2 (Au₇Ga₂). Le dimensioni dei nanocristalli intermetallici finiti possono essere previste con precisione anche in base alle dimensioni dei nanocristalli originali fatti del primo metallo e all'aumento delle dimensioni dovuto al secondo metallo.

Nanocristalli personalizzati per le applicazioni

I ricercatori vedono un grande potenziale per le applicazioni tecnologiche nella precisa controllabilità della composizione e delle dimensioni dei nanocristalli, unita alla combinabilità quasi arbitraria dei metalli. "Poiché la sintesi di nanocristalli mediante amalgama rende possibili così tante nuove composizioni, non vediamo l'ora di utilizzarli in catalizzatori migliorati, nella plasmonica o nelle batterie agli ioni di litio", afferma Yarema. Ad esempio, i catalizzatori costituiti da nanocristalli possono essere adattati e ottimizzati con precisione per uno specifico processo chimico che deve essere accelerato da essi.