澳大利亚皇家墨尔本理工大学开发的一项新技术成功地形成了液态金属、类行星的纳米液滴。就像我们自己的地球一样，纳米液滴具有外部“地壳”，液态金属“地幔”和固体“核心”。
固体金属间核是实现更均匀混合的关键，在每个合金液滴中“锁定”相同数量的溶质(即“目标”金属)。
研究小组通过高温熔盐在液态金属介质中完全溶解来实现均匀性。他们的文章《具有催化前景的类行星液态金属纳米液滴的合成》于2024年7月发表在《先进功能材料》杂志上。
这一发现为基础液态金属化学以及柔性电子、相变材料、催化剂和燃料电池以及银基抗菌剂等各种应用创造了新的研究机会。
近年来，液态金属作为溶剂和催化剂的新型反应界面，成为化学研究的一个有前景的新领域。
它们还可以作为一种功能材料，由于离域的金属键和柔软的流体内部，它们可以提供高导电性。
随着新兴的催化、传感和纳米电子应用依赖于实现大表面积，液态金属纳米液滴的合成已成为一个重要的焦点。
当合金用于特定应用时，有许多可能的组合，例如将铜(溶质)溶解在液态镓(金属溶剂)中。
这种液态金属纳米液滴是通过在乙醇或水等溶剂中使用声波进行机械搅拌而产生的。
然而，在这种“声波”过程中，液态金属合金倾向于“脱合金”，即分解成它们的组成金属。
这是由于以前的方法试图在相对较低的温度下溶解金属，接近室温。“就像在温水中比在冷水中溶解更多的糖一样，在温暖的镓中可以溶解更多的铜，”主要作者、RMIT的博士候选人凯登·帕克说。
在低温下，一些溶质金属在完全溶解之前重新形成较大的固体颗粒。
所得的组成物具有不一致、不均匀的性质，单个纳米液滴的组成变化很大。“在极端情况下，许多甚至大多数纳米液滴可能基本上没有溶质金属，最终只集中在极少数颗粒中，”同样来自RMIT的通讯作者Torben Daeneke博士说。
这种不均匀性和金属间化合物的存在给希望了解液态金属化学工作基本机制的研究人员带来了相当大的困难。
在这项新研究中，RMIT的研究人员通过大幅加热合成过程(高达400°C)来解决脱合金问题，以确保溶质金属完全溶解，并引入精心选择的熔融盐悬浮液。
选择醋酸钠是因为它在高温下保持稳定，并且事后很容易去除。
由此产生的纳米液滴具有有趣的行星状结构，由外层(氧化物)外壳、液态(金属)地幔和悬浮的固体核心(金属间化合物)组成。
卡登说:“我们立即被纳米液滴与类地行星的相似性所震惊，它们有固体外壳、液态金属地幔和固体金属核心。”
这种固体核心是新技术成功的关键，它“锁定”了每个合金液滴中相同数量的溶质。
“我们也很高兴地看到，我们的新金属类行星纳米液滴无处不在，”凯登继续说。
系统分布均匀，产量显著提高。透射电镜(TEM)分析证实，几乎在每个液滴中都观察到核心结构。
固体核的存在也促进了类似行星的纳米液滴在催化反应中的一个非常有趣的用途，加速了化学反应。
所研究的铜镓纳米液滴在乙醇电催化氧化方面取得了良好的效果，可用于乙醇燃料电池。
在此催化反应之前，去除乙酸钠是很重要的，盐很容易在简单的水浴中清除。
这项前景光明的新技术开辟了高表面积纳米液滴在未来广泛应用的潜在用途，包括但不限于电子或催化材料。
纳米液滴的物理尺度(即纳米而不是微观)也将有助于液体金属化学的基础研究，包括研究液态金属中键形成的精确性质、溶剂化能力、结晶动力学和各种熔融金属系统中可能发生的一般胶体化学。
托本说:“类行星结构就像小型微型实验室，使我们能够研究熔融金属在原子水平上的行为。”
虽然研究证明了使用铜镓系统的新技术的可行性，但作者希望进一步的工作来确认该技术将成功地使用溶质和溶剂合金系统的其他组合，从液态镓、锡或铟中的银、锌或铋开始。
“液态金属系统的一个关键优势是能够根据组成金属的性质，为某些应用调整金属混合物，”Caiden说。
“例如，铜是一种很好的导电体。当我们将铜和镓结合起来时，我们不仅节省了大量的材料消耗成本，而且还为柔性电子产品开辟了道路，就像你可能在科幻电影中看到的那样。”
铜还可以利用其热性能，铜基纳米液滴在散热系统中的潜在应用。
基于铜加速反应能力的纳米液滴催化应用已经在新的研究中进行了测试，除了节省材料合成外，还改善了活性位点面积。
看看另一种金属，银先前已经发现了基于其抗菌特性的应用，一旦与镓结合，就可以创造出更具生物可利用性的替代品。
“因此，这项新技术的潜在应用非常广泛。任何需要纳米材料的行业都可以利用该系统，其组成金属根据应用而变化，”Torben说。
