Algunos de los cristales más pequeños del mundo se conocen como "átomos artificiales" porque pueden organizarse en estructuras que parecen moléculas, incluidas las "superredes" que son bloques de construcción potenciales para materiales novedosos.
Ahora, los científicos del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía y la Universidad de Stanford han realizado la primera observación de estos nanocristales que forman rápidamente superredes mientras crecen. Lo que aprenden ayudará a los científicos a ajustar el proceso de ensamblaje y adaptarlo afabrican nuevos tipos de materiales para cosas como almacenamiento magnético, células solares, optoelectrónica y catalizadores que aceleran las reacciones químicas.
La clave para hacerlo funcionar fue el descubrimiento fortuito de que las superredes pueden formarse súper rápidas, en segundos en lugar de las horas o días habituales durante la síntesis rutinaria de nanocristales. Los científicos utilizaron un potente haz de rayos X en Stanford de SLACFuente de luz de radiación de sincrotrón SSRL para observar el crecimiento de nanocristales y la rápida formación de superredes en tiempo real.
Un documento que describe la investigación, que se realizó en colaboración con científicos del Laboratorio Nacional de Argonne del DOE, se publicó hoy en Naturaleza .
"La idea es ver si podemos obtener una comprensión independiente de cómo crecen estas superredes para poder hacerlas más uniformes y controlar sus propiedades", dijo Chris Tassone, científico del personal de SSRL que dirigió el estudio con Matteo Cargnello,profesor asistente de ingeniería química en Stanford
Pequeños cristales con propiedades de gran tamaño
Los científicos han estado fabricando nanocristales en el laboratorio desde la década de 1980. Debido a su pequeño tamaño, son milmillonésimas de metro de ancho y contienen solo de 100 a 10,000 átomos cada uno, se rigen por las leyes de la mecánica cuántica, y estoles da propiedades interesantes que se pueden cambiar variando su tamaño, forma y composición. Por ejemplo, los nanocristales esféricos conocidos como puntos cuánticos, que están hechos de materiales semiconductores, brillan en colores que dependen de su tamaño; se usan en imágenes biológicas ymás recientemente en pantallas de TV de alta definición.
A principios de la década de 1990, los investigadores comenzaron a usar nanocristales para construir superredes, que tienen la estructura ordenada de cristales regulares, pero con pequeñas partículas en lugar de átomos individuales. También se espera que éstas tengan propiedades inusuales que son más que la sumade sus partes.
Pero hasta ahora, las superredes han crecido lentamente a bajas temperaturas, a veces en cuestión de días.
Eso cambió en febrero de 2016, cuando el investigador postdoctoral de Stanford, Liheng Wu, descubrió casualmente que el proceso puede ocurrir mucho más rápido de lo que los científicos habían pensado.
'Algo extraño está sucediendo'
Estaba tratando de hacer nanocristales de paladio, un metal plateado que se usa para promover reacciones químicas en convertidores catalíticos y muchos procesos industriales, calentando una solución que contiene átomos de paladio a más de 230 grados Celsius. El objetivo era entender cómose forman estas pequeñas partículas, por lo que su tamaño y otras propiedades podrían ajustarse más fácilmente.
El equipo agregó pequeñas ventanas a una cámara de reacción del tamaño de una mandarina para que pudieran hacer pasar un haz de rayos X SSRL a través de ella y ver lo que sucedía en tiempo real.
"Es como cocinar", explicó Cargnello. "La cámara de reacción es como una sartén. Agregamos un solvente, que es como el aceite para freír; los ingredientes principales para los nanocristales, como el paladio; y los condimentos, que eneste caso son compuestos tensioactivos que ajustan las condiciones de reacción para que pueda controlar el tamaño y la composición de las partículas. Una vez que agrega todo a la sartén, lo calienta y fríe sus cosas ".
Wu y el estudiante graduado de Stanford Joshua Willis esperaban ver el patrón característico hecho por los rayos X dispersando las partículas diminutas. En cambio, vieron un patrón completamente diferente.
"Entonces, algo extraño está sucediendo", le enviaron un mensaje de texto a su asesor.
Lo extraño fue que los nanocristales de paladio se ensamblaban en superredes.
Un equilibrio de fuerzas
En este punto, "El desafío era comprender qué une las partículas y las atrae entre sí, pero no con demasiada fuerza, por lo que tienen espacio para moverse y establecerse en una posición ordenada", dijo Jian Qin, profesor asistentede ingeniería química en Stanford que realizó cálculos teóricos para comprender mejor el proceso de autoensamblaje.
Una vez que se forman los nanocristales, lo que parece estar sucediendo es que adquieren una especie de recubrimiento peludo de moléculas de tensioactivo. Los nanocristales se juntan, atraídos por fuerzas débiles entre sus núcleos, y luego un equilibrio finamente sintonizado de fuerzas atractivas y repulsivas entrelas moléculas tensioactivas colgantes las mantienen en la configuración correcta para que crezca la superredes.
Para sorpresa de los científicos, los nanocristales individuales continuaron creciendo, junto con las superredes, hasta que todos los ingredientes químicos en la solución se agotaron, y este inesperado crecimiento adicional hizo que el material se hinchara. Los investigadores dijeron que creen que esto ocurreen una amplia gama de sistemas de nanocristales, pero nunca se había visto porque no había forma de observarlo en tiempo real antes de los experimentos del equipo en SSRL.
"Una vez que entendimos este sistema, nos dimos cuenta de que este proceso puede ser más general de lo que pensábamos inicialmente", dijo Wu. "Hemos demostrado que no solo se limita a los metales, sino que también puede extenderse a materiales semiconductores y muy probablementea un conjunto mucho más grande de materiales "
El equipo ha estado haciendo experimentos de seguimiento para obtener más información sobre cómo crecen las superredes y cómo pueden modificar el tamaño, la composición y las propiedades del producto terminado.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio nacional de aceleración DOE / SLAC . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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