Core@shell nanoparticles with precisely controlled shells

We propose with this project to develop a method to generate novel and technically interesting nanoparticles uniquely created by combining aerosol technology with atomic layer deposition. There is a high potential for nanoparticles with functionalized surfaces, e.g., for catalysis. Covering a nanoparticle composed of a cheap element core with an expensive metal as shell would allow for core@shell nanoparticles with enormous catalytic surface while minimizing the amount of the active metal. Since aerosol methods to generate large quantities of nanoparticles have already been developed, the need exists now for synthesis routes that produce nanoparticles with functional surfaces while preserving the small as well as the selected particle size associated with these unique materials. Atomic layer deposition is a widespread method in the semiconductor industry for the controlled passivation of structures. Here, thin layers can be grown uniformly and with high precision on arbitrarily complex and large substrates. With this project, we intend to enter unchartered territory with the creation of precisely controlled core@shell nanoparticles by combining aerosol technology that normally runs under atmospheric pressure conditions with atomic layer deposition techniques that normally require reduced pressure. This challenging project carries the potential to establish a completely new and revolutionary method of nanoparticle fabrication.

Ett av de viktigaste områdena inom kemisk syntes är katalys: hur man påskyndar kemiska reaktioner för att göra den övergripande processen mer effektiv. Detta åstadkoms genom att använda en katalysator. Katalysatorn verkar genom att sänka energibarriären som måste överstigas för att de kemiska komponenterna ska kunna reagera, vilket kan ske genom att katalysatorn underlättar interaktionen mellan dem, men den deltar inte själv i reaktionen. De flesta katalysatorer består av en ädelmetall och ett stöttande material, vanligen en oxid. I det ideala fallet vill man att så mycket som möjligt av katalysatorns aktiva yta ska vara i kontakt med de kemiska reagenserna, varför det läggs mycket forskning på att maximera kontaktytan. Ett av de mest lovande vetenskapliga fälten för att uppnå detta är nanovetenskapen.
Genom att dela upp katalysatormaterialet till mycket små partiklar, nanopartiklar, vilka karaktäriseras av att ha åtminstone en dimension mindre än 100 nm (ungefär en tusendel av bredden på ett hårstrå), nyttjas en extremt stor yta i förhållande till katalysatorns volym. Kombinerat med andra för nanoskalan unika egenskaper förhöjs den katalytiska förmågan enormt samtidigt som mindre material krävs. Trots detta är ädelmetaller för katalys väldigt dyra, och mycket möda läggs på att minimera denna kostnad.
En angreppspunkt är att utgå från nanopartiklar av ett billigt material som kisel och täcka partiklarna med ett tunt katalysmaterial vilket resulterar i så kallade kärna@skal nanopartiklar. Denna strategi behåller den stora katalytiska ytan samtidigt som lejonparten av partiklarnas massa utgörs av ett billigt material. Vid Lunds Universitet har vi en ansenlig erfarenhet av att syntetisera aerosolnanopartiklar. I en aerosol uppehålls och transporteras nanopartiklarna av en bärargas. Samtidigt kan vi belägga aerosolpartiklarna med ett skal av annat material för att skapa kärna@skal nanopartiklar. Denna metod är dock inexakt vad gäller skalets koherens och tjocklek. Vi vill ta oss an detta problem genom att använda en aldrig förr beprövad metod för att växa skalet: atomic layer deposition direkt i aerosolfasen.
Atomic layer deposition är en välutvecklad metod för att växa atomärt tunna lager av ett material på ett annat med exakt kontroll. Metoden används frekvent i mikroelektronikindustrin, men där beläggs material på ett platt substrat, betingelser som skiljer sig avsevärt från att belägga aerosolnanopartiklar. De vitt skilda betingelserna leder till att tekniska och vetenskapliga utmaningar måste överkommas för att lyckas i projektet.
Själva metoden för atomic layer deposition är uppdelad i två steg. Först introduceras beläggningsmaterialet som en gasförening med ett antal andra ämnen i varje molekyl. Den kemiska föreningen binder till aerosolpartiklarnas yta tills dess att hela ytan är täckt. Överflödiga ämnen måste sedan tas bort från nanopartiklarnas yta i ett separat steg. Detta görs genom att låta aerosolpartiklarna reagera med en annan gas. Om de två reaktionsstegen lyckas har aerosolnanopartiklarna i det ideala fallet täckts av ett atomlager tjockt skal. Processen är rättfram i en konventionell reaktor: när en gas har reagerat klart med det plana substratet evakueras den innan nästa gas introduceras. Processen återupprepas sedan tills önskad lagertjocklek uppnåtts. Våra aerosolnanopartiklar är varken plana eller stationera; istället är de i konstant rörelse i bärargasen, vilket är en stor utmaning för processen. Därför måste vi introducera gaserna i två olika reaktorer som vardera kräver olika betingelser. För att öka lagertjockleken måste proceduren upprepas, vilket skulle kräva att vårt linjära aerosolsystem byggs ut till ett cirkulärt, något som aldrig tidigare gjorts. Utmaningarna till trots erbjuder detta projekt en möjlighet att skräddarsy storlek, lagertjocklek och materialkombinationen av kärna@skal nanopartiklarna till en aldrig tidigare uppnådd precision. Då nanopartiklar har visat sig inneha unika egenskaper som är användbara inom många områden vore en sådan framgång oumbärlig för industriella applikationer och flera forskningsdiscipliner.