A nanoscale chemical oscillator: reversible formation of palladium nanoparticles in ionic liquid
Source abstract
Abstract
From the theory of chaos-to-order transitions to the origins of life on Earth, oscillating chemical reactions play a fundamental role in nature. This study demonstrates how chemical oscillators can exist at the nanoscale, bridging the gap between molecules and living cells. We identify three necessary conditions for nanoscale chemical oscillations: (i) a continuous energy flux; (ii) alternating fluxes of two chemical species with opposing effects-specifically, a reductant and an oxidant; and (iii) a redox-active metal. Irradiating palladium ions dissolved in benzyl imidazolium bromide ([BnMIm]+Br-) with a 200 keV electron beam meets these requirements, resulting in the oscillating, dendritic assembly of palladium nanoparticles. By encapsulating the solution inside carbon nanotubes, we can slow down the rate of chemical oscillations, allowing for real-time analysis at the individual nanoparticle level. Our results indicate that nanoparticles in liquids are far from the thermodynamic equilibrium during transmission electron microscopy (TEM) imaging, which is an important consideration for studying nanoparticles using in situ TEM methods or employing them for catalysis in the liquid phase.
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Research context
OpenAlex topics: Ionic liquids properties and applications · Electrochemical Analysis and Applications · Quantum Dots Synthesis And Properties
SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.
Affiliations
School of Chemistry, University of Nottingham, University Park, Nottingham, NG7 2RD, UK
Funding
Leverhulme Trust · Engineering and Physical Sciences Research Council · Royal Society
References (64)
Show source-provided references
1. Iqbal · Small · 2019 · 15 · 110.1002/smll.201804378 ↗
2. O'Brien · Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. · 2016 · 113 · 1171710.1073/pnas.1605289113 ↗
3. Goodman · ACS Catal. · 2017 · 7 · 715610.1021/acscatal.7b01975 ↗
4. Stark · Chem. Soc. Rev. · 2015 · 44 · 579310.1039/C4CS00362D ↗
5. Carabineiro · Appl. Catal., A · 2013 · 467 · 27910.1016/j.apcata.2013.07.035 ↗
6. Xin · Nano Lett. · 2012 · 12 · 147010.1021/nl2041854 ↗
7. Van Vaerenbergh · React. Chem. Eng. · 2020 · 5 · 155610.1039/D0RE00197J ↗
8. Kim · ACS Nano · 2020 · 14 · 199010.1021/acsnano.9b08494 ↗
9. Yang · Nat. Commun. · 2019 · 10 · 110.1038/s41467-018-07882-8 ↗
10. Vrijburg · ACS Catal. · 2019 · 9 · 782310.1021/acscatal.9b01968 ↗
11. Lodge · Nanoscale · 2018 · 10 · 1904610.1039/C8NR05267K ↗
12. Gavhane · npj 2D Mater. Appl. · 2021 · 5 · 110.1038/s41699-021-00206-3 ↗
13. Zhu · Nat. Commun. · 2018 · 9 · 110.1038/s41467-017-02088-w ↗
14. Yoshida · Science · 2012 · 335 · 31710.1126/science.1213194 ↗
15. Ying · Mater. Charact. · 2020 · 170 · 11070610.1016/j.matchar.2020.110706 ↗
16. Wu · Adv. Mater. · 2016 · 28 · 968610.1002/adma.201602519 ↗
17. Adibi · ACS Catal. · 2015 · 5 · 42610.1021/cs5015173 ↗
18. Skowron · Acc. Chem. Res. · 2017 · 50 · 179710.1021/acs.accounts.7b00078 ↗
19. Cao · Nat. Chem. · 2020 · 12 · 92110.1038/s41557-020-0538-9 ↗
20. Cao · Angew. Chem., Int. Ed. · 2020 · 59 · 2292210.1002/anie.202010630 ↗
21. Cao · Nano Lett. · 2018 · 18 · 633410.1021/acs.nanolett.8b02657 ↗
22. Cull · ACS Nano · 2023 · 17 · 602610.1021/acsnano.3c00670 ↗
23. Cao · Nat. Commun. · 2018 · 9 · 338210.1038/s41467-018-05831-z ↗
24. Zoberbier · Small · 2016 · 12 · 164910.1002/smll.201502210 ↗
25. Cardillo-Zallo · ACS Nano · 2024 · 18 · 295810.1021/acsnano.3c07853 ↗
26. Tao · Chem. Rev. · 2016 · 116 · 348710.1021/cr5002657 ↗
27. Wang · Commun. Chem. · 2018 · 1 · 8010.1038/s42004-018-0081-4 ↗
28. Yang · J. Am. Chem. Soc. · 2019 · 141 · 76310.1021/jacs.8b11972 ↗
29. Zheng · Nanoscale · 2018 · 10 · 1128110.1039/C8NR01625A ↗
30. Hufschmid · Nanoscale · 2019 · 11 · 1309810.1039/C9NR03709H ↗
31. Keller · Micron · 2019 · 117 · 1610.1016/j.micron.2018.10.008 ↗
32. Fritsch · Nanoscale Adv. · 2021 · 3 · 246610.1039/D0NA01027H ↗
33. Xu · Superlattices Microstruct. · 2016 · 99 · 2410.1016/j.spmi.2016.06.021 ↗
34. Chaban · ACS Nano · 2014 · 8 · 819010.1021/nn502475j ↗
35. Yamada · J. Phys. Chem. C · 2018 · 122 · 2191010.1021/acs.jpcc.8b06406 ↗
36. Wang · J. Mater. Res. · 2015 · 30 · 32610.1557/jmr.2014.281 ↗
37. Egerton · Micron · 2019 · 119 · 7210.1016/j.micron.2019.01.005 ↗
38. Mincher · Solvent Extr. Ion Exch. · 2014 · 32 · 56310.1080/07366299.2014.925687 ↗
39. Grogan · Nano Lett. · 2014 · 14 · 35910.1021/nl404169a ↗
40. Jiang · Nano Lett. · 2014 · 14 · 376110.1021/nl500670q ↗
41. Chamberlain · Small · 2015 · 11 · 62210.1002/smll.201402081 ↗
42. Miyata · Ultramicroscopy · 2017 · 178 · 8110.1016/j.ultramic.2016.10.009 ↗
43. Seymour · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2021 · 23 · 2095710.1039/D1CP02441H ↗
44. Szulmanowicz · ChemCatChem · 2013 · 5 · 115210.1002/cctc.201200428 ↗
45. Turchanin · Ann. Phys. · 2017 · 529 · 110.1002/andp.201700168 ↗
46. Huang · Nat. Nanotechnol. · 2011 · 6 · 2810.1038/nnano.2010.235 ↗
47. Gao · Nat. Commun. · 2021 · 12 · 110.1038/s41467-020-20314-w ↗
48. Liu · J. Am. Chem. Soc. · 2013 · 135 · 1175210.1021/ja406344j ↗
49. Simonsen · J. Catal. · 2011 · 281 · 14710.1016/j.jcat.2011.04.011 ↗
50. Hansen · Acc. Chem. Res. · 2013 · 46 · 172010.1021/ar3002427 ↗
51. Van Den Berg · ACS Catal. · 2015 · 5 · 443910.1021/acscatal.5b00833 ↗
52. Fung · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2023 · 909210.1039/D2CP05183D ↗
53. Cano · Nat. Commun. · 2021 · 12 · 210.1038/s41467-021-25263-6 ↗
54. Chernyshev · Coord. Chem. Rev. · 2021 · 437 · 21386010.1016/j.ccr.2021.213860 ↗
55. Yao · J. Phys. D: Appl. Phys. · 2021 · 54 · 14400110.1088/1361-6463/abd711 ↗
56. Welton · Chem. Rev. · 1999 · 99 · 207110.1021/cr980032t ↗
57. Welton · Biophys. Rev. · 2018 · 10 · 69110.1007/s12551-018-0419-2 ↗
58. Uematsu · J. Am. Chem. Soc. · 2014 · 136 · 1378910.1021/ja506724w ↗
59. Tripathi · Nano Lett. · 2018 · 18 · 531910.1021/acs.nanolett.8b02406 ↗
60. Su · Sci. Adv. · 2019 · 5 · 1
61. Mirzayev · Sci. Adv. · 2017 · 3 · 610.1126/sciadv.1700176 ↗
62. Chuvilin · New J. Phys. · 2009 · 11 · 08301910.1088/1367-2630/11/8/083019 ↗
63. Susi · Ultramicroscopy · 2017 · 180 · 16310.1016/j.ultramic.2017.03.005 ↗
64. Aygün · J. Mater. Chem. A · 2017 · 5 · 2146710.1039/C7TA03691D ↗