Sut mae tymereddau uchel iawn yn effeithio ar ronynnau bach iawn?

Mae arbenigwr nanoddeunyddiau o Brifysgol Abertawe wedi bod yn astudio sut mae gronynnau aur bach yn goroesi tymereddau uchel iawn.

Mae'r ymchwil yn bwysig oherwydd y potensial i ddefnyddio nanodechnoleg yn y sector peirianneg, er enghraifft, mewn catalysis ac awyrofod, lle mae gronynnau cyn lleied â naonofetr yn unig yn profi tymereddau uchel iawn.

Cyhoeddwyd canlyniadau'r astudiaeth - a oedd yn gydweithrediad rhwng prifysgolion Birmingham, Abertawe a Genoa - yr wythnos hon yn y cyfnodolyn Nature Communications. Dangosodd yr astudiaeth fod nanoronynnau aur a ddetholwyd ar sail maint penodol manwl gywir (561 o atomau ±14) yn gallu gwrthsefyll trylediad a chydgrynhoad yn llwyddiannus iawn, ond bod eu trefniadau atomig mewnol yn newid.

Defnyddiodd yr ymchwilwyr ficrosgop trawsyrru electronau, wedi'i gywiro ar gyfer egwyriant, i astudio nanoronynnau aur wedi'u dethol ar sail maint (neu glystyrau) ar dymereddau mor uchel â 500 C° gan eu delweddu â chydraniad atomig. Gosodwyd y gronynnau o ffynhonnell nanoronynnau ar haenau tenau o silicon nitrid neu garbon.

Gold nanoclusters

Dau wahanol strwythur y nanoglystyrau aur yn cynnwys 561 o atomau

 

 

 

Dangosodd yr arbrofion fod rhwymo'r nanoronynnau aur i'r arwyneb, wrth bwyntiau diffygion, yn ddigon cryf i'w sefydlogi, hyd yn oed ar y tymheredd uchaf. Ond newidiodd strwythurau atomig y clystyrau yn y driniaeth gwres, gan newid yn ôl ac ymlaen rhwng dwy brif ffurfwedd atomau ("isomerau"): strwythur ciwbig wyneb-ganolog yn debyg i ddarn bach o aur swmp, a threfniant dengochrog â chymesuredd gwaharddedig mewn crisial estynedig. Roedd yr ymchwilwyr hyd yn oed yn gallu mesur y gwahaniaeth bach iawn mewn egni (40 meV yn unig) rhwng y ddau strwythur atomig gwahanol hyn.

Meddai'r Athro Richard Palmer, Pennaeth y Labordy Nanoddeunyddiau yng Ngholeg Peirianneg Prifysgol Abertawe: "Mae'r arbrofion lefel uchel hyn wedi caniatáu i ni greu ffordd newydd o fesur nanoroynnau a osodwyd ar arwyneb - y gwahaniaeth mewn egni rhwng y ddau drefniant atomig cystadleuol. Mae'r bobl sy'n defnyddio cyfrifiaduron i gyfrifo priodweddau nanoddeunyddiau yn llawn cyffro am hyn, gallech ddweud ei fod yn fath o gyfeirbwynt. Ac mae'r delweddau'n dangos bod ein nanoronynnau bach yn greaduriaid eithaf gwydn, sy'n argoeli'n dda ar gyfer y potensial i'w defnyddio mewn gweithgynhyrchu diwydiannol yn y dyfodol

Mae ymchwil y labordy yn Abertawe'n canolbwyntio ar gynyddu graddfa cynhyrchu'r fath nanoronynnau 10 miliwn o weithiau i lefel gramau ac uwch. Fel y dywed yr Athro Palmer: "Mae angen niferoedd mawr iawn o bethau bach iawn arnom i wireddu gwir botensial nanodechnoleg."

Cyhoeddwyd y papur, “Experimental determination of the energy difference between competing isomers of deposited, size-selected gold nanoclusters”, gan  DM Foster (Prifysgol Birmingham), R Ferrando (Prifysgol Genoa) ac RE Palmer (Prifysgol Abertawe),yn Nature Communications, cyfrol 9, tudalen 1323 (2018) ac mae ar gael ar y wefan mynediad agored ganlynol: https://www.nature.com/articles/s41467-018-03794-9