Il progresso scientifico nel campo delle nanoparticelle ha registrato avanzamenti significativi negli ultimi tempi, trovando applicazione in diversi settori, dalla medicina alla salvaguardia dell’ambiente. In particolare, le nanoparticelle rivestono un ruolo fondamentale nelle reazioni chimiche che stanno alla base di numerose tecnologie volte alla produzione di energia pulita e alla protezione dell’ecosistema. Un gruppo di studiosi del Massachusetts Institute of Technology (MIT), in collaborazione con altri ricercatori, ha messo a punto una tecnica innovativa per manipolare con estrema precisione le dimensioni, la composizione e altre caratteristiche delle nanoparticelle, utilizzando l’irradiazione ionica, un processo che prevede il bombardamento di un materiale con fasci di particelle cariche.
Il potenziale insito nelle nanoparticelle
Le nanoparticelle ottenute attraverso questa metodologia hanno dimostrato di essere più performanti rispetto a quelle generate con tecniche tradizionali. “I materiali su cui abbiamo concentrato i nostri studi potrebbero contribuire al progresso di diverse tecnologie, dalle celle a combustibile, che producono elettricità senza emettere CO2, alla generazione di idrogeno pulito per l’industria chimica attraverso celle di elettrolisi”, spiega Bilge Yildiz, a capo della ricerca e professore presso i dipartimenti di Scienza e Ingegneria Nucleare e Scienza e Ingegneria dei Materiali del MIT.
Il ruolo cruciale dei catalizzatori
Le celle a combustibile e le celle di elettrolisi implicano reazioni elettrochimiche che si svolgono attraverso tre componenti principali: due elettrodi (un catodo e un anodo) separati da un elettrolita. La differenza tra le due tipologie di celle sta nel fatto che le reazioni avvengono in direzioni opposte. Gli elettrodi sono rivestiti da catalizzatori, sostanze che accelerano le reazioni chimiche. Tuttavia, un catalizzatore chiave realizzato con materiali a base di ossido metallico ha mostrato alcune limitazioni, tra cui una scarsa durabilità. “Le particelle del catalizzatore metallico tendono ad ingrossarsi ad alte temperature, perdendo così superficie attiva e, di conseguenza, efficacia”, afferma Yildiz, che è anche affiliato al Materials Research Laboratory e autore di un articolo in open access sulla ricerca pubblicato sulla rivista Energy & Environmental Science.
Superare le sfide nel controllo delle nanoparticelle
La soluzione dell’esoluzione metallica
Qui entra in gioco l’esoluzione metallica, un processo che comporta la precipitazione di nanoparticelle metalliche da un ossido ospite sulla superficie dell’elettrodo. Queste particelle si ancorano all’elettrodo, rendendole più stabili, come sottolinea Yildiz. Di conseguenza, l’esoluzione ha portato a notevoli progressi nella conversione dell’energia pulita e nei dispositivi di calcolo energeticamente efficienti, come scrivono i ricercatori nel loro articolo.
Il ruolo dell’irradiazione ionica
Nonostante ciò, controllare con precisione le proprietà delle nanoparticelle risultanti si è rivelato complicato. “Sappiamo che l’esoluzione può fornirci nanoparticelle stabili e attive, ma il difficile è controllarla. La novità di questo studio è che abbiamo scoperto uno strumento – l’irradiazione ionica – che ci permette di avere questo controllo”, spiega Jiayue Wang PhD ’22, primo autore dell’articolo e attualmente postdoc presso la Stanford University.
Sossina Haile ’86, PhD ’92, professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso la Northwestern University, che non ha partecipato allo studio, commenta: “Le nanoparticelle metalliche sono impiegate come catalizzatori in una serie di reazioni, inclusa la fondamentale scissione dell’acqua per produrre idrogeno per lo stoccaggio energetico. In questo studio, Yildiz e colleghi hanno sviluppato un metodo ingegnoso per controllare il modo in cui si formano le nanoparticelle”.
Haile prosegue, “la comunità scientifica ha dimostrato che l’esoluzione porta a nanoparticelle strutturalmente stabili, ma il processo non è facilmente controllabile, quindi non si ottengono necessariamente il numero ottimale e la dimensione delle particelle. Utilizzando l’irradiazione ionica, questo gruppo è stato in grado di controllare con precisione le caratteristiche delle nanoparticelle, ottenendo un’eccellente attività catalitica per la scissione dell’acqua”.
Le scoperte del team di ricerca
I ricercatori hanno scoperto che indirizzare un fascio di ioni sull’elettrodo mentre contemporaneamente si esolvono nanoparticelle metalliche sulla superficie dell’elettrodo ha permesso loro di controllare diverse proprietà delle nanoparticelle risultanti. “Attraverso interazioni ione-materia, siamo riusciti a ingegnerizzare la dimensione, la composizione, la densità e la posizione delle nanoparticelle esolute”, scrive il team in Energy & Environmental Science.
Ad esempio, sono stati in grado di rendere le particelle molto più piccole – fino a 2 nanometri di diametro – rispetto a quelle prodotte utilizzando solo metodi termici di esoluzione convenzionali. Inoltre, sono stati in grado di cambiare la composizione delle nanoparticelle irradiando con elementi specifici. Hanno dimostrato ciò con un fascio di ioni di nichel che ha impiantato nichel nella nanoparticella metallica esoluta. Di conseguenza, hanno dimostrato un modo diretto e conveniente per ingegnerizzare la composizione delle nanoparticelle esolute.
“Vogliamo avere nanoparticelle multi-elemento, o leghe, perché di solito hanno un’attività catalitica più elevata”, dice Yildiz. “Con il nostro approccio, l’obiettivo dell’esoluzione non deve dipendere dall’ossido di substrato stesso”. L’irradiazione apre la porta a molte più composizioni. “Possiamo praticamente scegliere qualsiasi ossido e qualsiasi ione con cui possiamo irradiare ed esolvere quello”, dice Yildiz.
Il team ha anche scoperto che l’irradiazione ionica forma difetti nell’elettrodo stesso. E questi difetti forniscono ulteriori siti di nucleazione, o luoghi da cui possono crescere le nanoparticelle esolute, aumentando la densità delle nanoparticelle risultanti.
L’irradiazione potrebbe anche consentire un controllo spaziale estremo sulle nanoparticelle. “Poiché è possibile focalizzare il fascio di ioni, si può immaginare di poter ‘scrivere’ con esso per formare specifiche nanostrutture”, dice Wang. “Abbiamo fatto una dimostrazione preliminare [di ciò], ma crediamo che abbia il potenziale per realizzare micro- e nano-strutture ben controllate”.
Il team ha anche dimostrato che le nanoparticelle create con l’irradiazione ionica avevano un’attività catalitica superiore rispetto a quelle create solo con l’esoluzione termica convenzionale.
Questo lavoro è stato finanziato dalla OxEon Corp. e dal PSFC del MIT. La ricerca ha anche utilizzato risorse supportate dall’Ufficio per la Scienza del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, dal Materials Research Laboratory del MIT e da MIT.nano. Il lavoro è stato svolto, in parte, all’Università di Harvard attraverso una rete finanziata dalla National Science Foundation.
