Los parches de moléculas en forma de cadena colocadas a través de partículas a nanoescala pueden transformar radicalmente las propiedades ópticas, electrónicas y magnéticas de los materiales basados en partículas. Comprender por qué depende de manera crítica de las características tridimensionales de estos "nano-parches de polímeros", queson tentadoramente difíciles de revelar a una escala que abarca solo mil millonésimas de metro.
Ahora, los científicos han utilizado técnicas de tomografía electrónica de vanguardia, un proceso de imágenes reconstructivas en 3D, para determinar la estructura y composición de los nano-parches de polímeros. Los resultados, publicados a principios de este mes en la revista Naturaleza , "sienta las bases para nuevas arquitecturas a nanoescala que potencialmente podrían mejorar tecnologías como las células solares y los catalizadores autoensamblados", dijo la autora principal Eugenia Kumacheva de la Universidad de Toronto.
Los científicos rastrearon los parches formados por diferentes polímeros sintéticos, compuestos versátiles y comunes utilizados en todo, desde plásticos hasta electrónicos, en la superficie de las nanoesferas de oro miles de veces más pequeñas que el ancho de un solo cabello humano. Para visualizar lo esquivoestructuras de superficie, Kumacheva y su equipo recurrieron a instalaciones de vanguardia en el Centro de Nanomateriales Funcionales CFN, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los Estados Unidos DOE en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE.
Esta representación 3D completa de una nanopartícula muestra los detalles sin precedentes revelados en los parches de polímero, aquí coloreados falsamente para enfatizar su forma y ubicación en el núcleo de la nanoesfera. Los tres parches son poliestireno polimerizado común.
"Queríamos probar estas nanopartículas desde todos los ángulos y capturar cada característica tridimensional", dijo el coautor del estudio Huolin Xin, el científico de Brookhaven Lab CFN que dirigió los esfuerzos de visualización. "Implementamos una técnica llamada tomografía electrónica de transmisión de baja dosispara generar esta visión sin precedentes a nanoescala "
Los datos revelaron que las variaciones en la longitud del polímero, y el tamaño y la forma de las nanopartículas de oro, dictaron las estructuras resultantes. Por ejemplo, algunos parches se formaron en grandes grupos en nanoesferas mientras que otros se formaron alrededor de las esquinas de nanopartículas de formas diferentes.
Descubrir cómo manipular estos parches les brinda a los científicos una nueva herramienta de precisión para la fabricación a nanoescala.
"Establecimos las condiciones adecuadas y nuestras nanopartículas deseadas se fabrican en estas intrincadas estructuras", dijo el coautor Oleg Gang, físico de CFN y profesor de la Universidad de Columbia. "Las interacciones entre las cadenas de polímeros, los solventes y la alta curvatura de las nanopartículasimpulsa el autoensamblaje o la organización automática de los parches "
Como ejemplo, el equipo de Kumacheva adjuntó polímeros que incluyen poliestireno común, un tipo de plástico, uniformemente a través de la superficie de esferas de oro que varían de 20 a 80 nanómetros de diámetro. Mezclaron estas partículas en soluciones con diferentes solventes que hicieron que los polímeros interactuarany automáticamente forma parches distintos.
"Imagine el abrigo de piel de un perro justo cuando sale del agua", ofreció Gang. "Según la longitud y el grosor del cabello, o la forma del cuerpo del perro, se agrupará de maneras muy diferentes. Nuestro polímerolas morfologías son un poco así, donde hay una gran variedad de 'razas' que emergen cuando están húmedas. La diferencia clave, más allá de la escala, es que los patrones de parche cambian las propiedades estructurales de las nanopartículas ".
Revelando los parches a nanoescala
Para controlar los parches y perfeccionar sus recetas químicas, los científicos necesitaban captar cada detalle de estos patrones sutiles.
En la tomografía electrónica, los electrones de un microscopio electrónico de transmisión TEM bombardean áreas específicas de la estructura atómica de una muestra determinada. Algunos electrones pasan directamente mientras otros se dispersan. Los detectores rastrean los caminos de los electrones y revelan los detalles de su viaje.Los científicos usan los datos para ensamblar modelos 3D de la estructura y composición de las partículas.
Esto ya es un trabajo minuciosamente preciso, pero las partículas irregulares presentaron un desafío único.
"Los núcleos de oro de las nanopartículas son densos con electrones, por lo que son fácilmente rastreados por el microscopio, no así con los parches de polímero", dijo Xin. "Lo que es más desafiante es que el polímero se puede dañar y dañar fácilmentepor el intenso haz de electrones. Así que tuvimos que ajustar la iluminación y la exposición, por así decirlo, sintonizando el haz de TEM para capturar incluso la superficie de bajo contraste con la dosis de electrones más baja posible ".
CFN alberga un TEM de baja intensidad que se adapta específicamente a este tipo de experimentos en los que es esencial obtener imágenes sin causar daños.
"Trajimos este proyecto al CFN no solo para aprovechar este excelente instrumento, sino también para colaborar con sus expertos internos", dijo Kumacheva. "Este trabajo confirma nuestros modelos teóricos y predicciones, lo cual es realmente emocionante."
La imagen en 3D reveló estructuras en forma de cresta imperceptibles dictadas por la interacción de los polímeros con las nanoesferas. Dirigir y visualizar un diseño tan detallado fue un logro fundamental. Queda por ver cómo podría utilizarse esa síntesis controlada.
"Este es un trabajo fundamental que nos permite comenzar a probar y adaptar estas nanopartículas personalizables", dijo Kumacheva.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional Brookhaven . Original escrito por Justin Eure. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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