金和铑是两种类型的***，它们在珠宝、电子和催化方面有许多应用。 然而，它们也是不混溶的，这意味着它们不能很好地混合在一起。 事实上，如果你试图将它们融合在一起，它们会分成两个不同的相，就像油和水一样。 这限制了从这两种元素中创造具有新特性的新材料的可能性。
然而，科学家们最近发现了一种克服这一挑战的方法，并允许金和铑在纳米尺度上完全混合。 在发表在《自然纳米技术》杂志上的一篇文章中，来自加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室的一组研究人员报告说，他们能够从金和铑中制备出不同尺寸和成分的纳米颗粒，并观察到当纳米颗粒的尺寸减小到小于 2 纳米 （nm） 时， 发生了从相分离到合金的转变。
详：纳米粒子是尺寸只有几纳米或十亿分之一米的微小粒子。 在这种尺度上，材料的特性可能会因纳米颗粒的大小、形状和组成而有很大差异。 例如，金纳米颗粒可以呈现红色、蓝色或紫色，具体取决于它们的大小，并且还可以表现出不同的催化、光学和电子行为。
研究人员使用一种称为多元醇合成的特殊技术来制备不同大小和成分的金和铑纳米颗粒。 他们使用一种叫做聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的聚合物来控制纳米颗粒的生长和形状，并使用一种叫做乙二醇的溶剂来减少金属前体。 通过改变金和铑前驱体的比例、反应时间和温度，他们可以调整纳米颗粒的大小和组成。
为了表征纳米颗粒的结构和组成，研究人员使用了一种强大的技术，称为高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）。 这种技术允许他们对纳米粒子中的单个原子进行成像并测量它们的强度，这与元素的原子序数成正比。 通过将纳米颗粒中原子的强度与纯金和纯铑原子的强度进行比较，他们能够确定纳米颗粒中两种元素的分布。
研究人员发现，纳米颗粒根据其大小和组成表现出不同的混合行为。 对于大于2纳米的纳米颗粒，他们观察到相分离，这意味着纳米颗粒由两个不同的区域组成：一个富含金，一个富含铑。 这些区域的形状和位置取决于纳米颗粒的组成。 例如，对于含有50%金和50%铑的纳米颗粒，他们观察到核壳结构，其中原子核部分富含金，壳部分富含铑。 对于含有15%金和85%铑的纳米颗粒，他们观察到一种皇冠上的宝石结构，其中核心部分富含铑，外壳部分装饰有金原子。
然而，对于小于2纳米的纳米颗粒，他们观察到了一种不同的现象：完全混溶，这意味着纳米颗粒是金和铑的均匀混合物，没有相分离。 从15%的黄金到85%的黄金，所有成分都是如此。 研究人员解释说，这种不混溶到混溶的转变是由颗粒的大小、它们的组成以及合成条件下可能存在的表面吸附剂驱动的。 他们使用密度泛函理论（DFT）计算，一种研究材料电子结构和能量的计算方法，以支持他们的实验观察并揭示潜在的机制。
研究人员还研究了纳米颗粒的催化特性，发现它们在二氧化碳（CO2）的电化学还原中表现出不同的活性和选择性，二氧化碳（CO2）是一种可以将CO2转化为有用化学品和燃料的反应。 他们发现相分离纳米颗粒对一氧化碳（CO）的产生具有更高的活性和选择性，而合金纳米颗粒对甲酸（HCOOH）的产生具有更高的活性和选择性。 他们将这些差异归因于纳米颗粒的电子和几何效应，这些效应会影响CO2及其中间体的结合和活化。
研究人员得出的结论是，他们的研究表明，有可能在纳米尺度上从不混溶的元素中创造出具有可调结构和特性的新材料。 他们还建议，他们的方法可以扩展到其他不混溶的系统，如铂和金，或铜和银，以探索多元素纳米颗粒的丰富相图和功能。 他们希望他们的工作能够激发更多纳米科学和纳米技术的研究和应用。
chen, pc., gao, m., mccandler, c.a. et al. complete miscibility of immiscible elements at the nanometre scale. nat. nanotechnol. (2024).