金和銠是兩種型別的***，它們在珠寶、電子和催化方面有許多應用。 然而，它們也是不混溶的，這意味著它們不能很好地混合在一起。 事實上，如果你試圖將它們融合在一起，它們會分成兩個不同的相，就像油和水一樣。 這限制了從這兩種元素中創造具有新特性的新材料的可能性。
然而，科學家們最近發現了一種克服這一挑戰的方法，並允許金和銠在奈米尺度上完全混合。 在發表在《自然奈米技術》雜誌上的一篇文章中，來自加州大學伯克利分校和勞倫斯伯克利國家實驗室的一組研究人員報告說，他們能夠從金和銠中製備出不同尺寸和成分的奈米顆粒，並觀察到當奈米顆粒的尺寸減小到小於 2 奈米 （nm） 時， 發生了從相分離到合金的轉變。
詳：奈米粒子是尺寸只有幾奈米或十億分之一公尺的微小粒子。 在這種尺度上，材料的特性可能會因奈米顆粒的大小、形狀和組成而有很大差異。 例如，金奈米顆粒可以呈現紅色、藍色或紫色，具體取決於它們的大小，並且還可以表現出不同的催化、光學和電子行為。
研究人員使用一種稱為多元醇合成的特殊技術來製備不同大小和成分的金和銠奈米顆粒。 他們使用一種叫做聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的聚合物來控制奈米顆粒的生長和形狀，並使用一種叫做乙二醇的溶劑來減少金屬前體。 通過改變金和銠前驅體的比例、反應時間和溫度，他們可以調整奈米顆粒的大小和組成。
為了表徵奈米顆粒的結構和組成，研究人員使用了一種強大的技術，稱為高角度環形暗場掃瞄透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）。 這種技術允許他們對奈米粒子中的單個原子進行成像並測量它們的強度，這與元素的原子序數成正比。 通過將奈米顆粒中原子的強度與純金和純銠原子的強度進行比較，他們能夠確定奈米顆粒中兩種元素的分布。
研究人員發現，奈米顆粒根據其大小和組成表現出不同的混合行為。 對於大於2奈米的奈米顆粒，他們觀察到相分離，這意味著奈米顆粒由兩個不同的區域組成：乙個富含金，乙個富含銠。 這些區域的形狀和位置取決於奈米顆粒的組成。 例如，對於含有50%金和50%銠的奈米顆粒，他們觀察到核殼結構，其中原子核部分富含金，殼部分富含銠。 對於含有15%金和85%銠的奈米顆粒，他們觀察到一種皇冠上的寶石結構，其中核心部分富含銠，外殼部分裝飾有金原子。
然而，對於小於2奈米的奈米顆粒，他們觀察到了一種不同的現象：完全混溶，這意味著奈米顆粒是金和銠的均勻混合物，沒有相分離。 從15%的黃金到85%的黃金，所有成分都是如此。 研究人員解釋說，這種不混溶到混溶的轉變是由顆粒的大小、它們的組成以及合成條件下可能存在的表面吸附劑驅動的。 他們使用密度泛函理論（DFT）計算，一種研究材料電子結構和能量的計算方法，以支援他們的實驗觀察並揭示潛在的機制。
研究人員還研究了奈米顆粒的催化特性，發現它們在二氧化碳（CO2）的電化學還原中表現出不同的活性和選擇性，二氧化碳（CO2）是一種可以將CO2轉化為有用化學品和燃料的反應。 他們發現相分離奈米顆粒對一氧化碳（CO）的產生具有更高的活性和選擇性，而合金奈米顆粒對甲酸（HCOOH）的產生具有更高的活性和選擇性。 他們將這些差異歸因於奈米顆粒的電子和幾何效應，這些效應會影響CO2及其中間體的結合和活化。
研究人員得出的結論是，他們的研究表明，有可能在奈米尺度上從不混溶的元素中創造出具有可調結構和特性的新材料。 他們還建議，他們的方法可以擴充套件到其他不混溶的系統，如鉑和金，或銅和銀，以探索多元素奈米顆粒的豐富相圖和功能。 他們希望他們的工作能夠激發更多奈米科學和奈米技術的研究和應用。
chen, pc., gao, m., mccandler, c.a. et al. complete miscibility of immiscible elements at the nanometre scale. nat. nanotechnol. (2024).