Từ buổi bình minh của thời đại đồ đồng, loài người ta đã đánh giá cao những lợi thế của việc sử dụng hợp kim chứ không phải là các kim loại đơn lẻ để làm cho vật liệu tốt hơn. Gần đây, các nhà khoa học đã phát hiện ra một công thức để làm cho các cấu trúc hai kim loại cực nhỏ có thể mở rộng vai trò của khoa học vật liệu.

Các hạt nano lưỡng kim - các hạt cực nhỏ có kích thước chỉ vài chục đến hàng trăm nguyên tử - đầy hứa hẹn trong việc chế tạo ra các chất xúc tác cho một số các ứng dụng khác nhau, Jeffrey Elam, nhà hóa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, cho biết. Tuy nhiên, cho đến nay các nhà nghiên cứu vẫn thiếu một phương pháp chung chính xác và linh hoạt để tạo ra chúng.

Theo Elam, các phương pháp truyền thống thiếu sự chính xác để chế tạo ra một loạt các hạt nano hoàn toàn lưỡng kim. Thay vào đó, chúng tạo ra một hỗn hợp cả các hạt nano lưỡng kim và các hạt nano đơn kim loại, và những hạt nano khác nhau này có các thuộc tính hóa học khác nhau.

Elam cho biết, có hai loại hạt nano lưỡng kim chính mà các nhà khoa học cố gắng tạo ra. Trong cấu hình lõi - vỏ, một kim loại bao quanh hoàn toàn kim loại khác, giống như lớp kẹo phủ bên ngoài sô cô la nằm giữa trong viên kẹo Tootsie Pop. Trong cấu hình hợp kim, kim loại được pha trộn đồng nhất với quy mô nguyên tử, do đó các nguyên tử của cả hai kim loại đều xuất hiện trên bề mặt của hạt nano.

Các tính toán lý thuyết dự đoán rằng cả hai loại hạt nano lưỡng kim có thể là những chất xúc tác đặc biệt trong các ứng dụng như nhiên liệu sinh học và pin nhiên liệu. Nhưng các nhà khoa học đã thiếu một chiến lược chung để tổng hợp hoặc chỉ một trong hai loại hạt nano trên bất kỳ bề mặt nào và cho một loạt các kim loại khác nhau.

Để khắc phục những hạn chế này, Elam và các đồng nghiệp của ông tại Argonne chuyển sang kỹ thuật lắng đọng lớp nguyên tử (atomic layer deposition - ALD), một kỹ thuật được sử dụng trong chế tạo chất bán dẫn, trong đó các tấm vật liệu cực kỳ mỏng lần lượt được xếp lên nhau. Mỗi lần xếp như vậy, một “chu kỳ” ALD được thực hiện, một tấm vật liệu mới chỉ dày vài nguyên tử được lắng đọng. ALD đã được sử dụng trước đây để tạo ra một loạt các vật liệu có các thuộc tính hóa học và điện có thể tùy chỉnh, nhưng cho đến nay các nhà nghiên cứu đã không thể phát triển có chọn lọc các hạt nano lưỡng kim có thể kiểm soát để tạo ra các chất xúc tác thành công.

ALD đã được sử dụng trước đó để phát triển các hạt nano đơn kim loại trên các bề mặt, nhưng bước đột phá của các nhà khoa học Argonne cho phép các nhà khoa học phát triển kim loại thứ hai ngay trên kim loại thứ nhất, mà không phải trên các bề mặt xung quanh. Chìa khóa của thành công này liên quan đến việc kiểm soát một cách cẩn trọng nhiệt độ tăng trưởng và lựa chọn đúng hóa chất được sử dụng. Sử dụng chiến lược này, các nhà nghiên cứu Argonne đã có thể tạo ra cả hạt nano hợp kim và hạt nano lõi - vỏ trong khi kiểm soát thành phần hạt và kích thước hạt trên nhiều loại bề mặt khác nhau.