Una imagen de microscopio electrónico de transmisión de alta resolución que muestra nanotubos huecos de óxido de zinc con una red de cristal único. Crédito:Song Jin, Universidad de Wisconsin-Madison
(PhysOrg.com) - Los científicos no tienen ningún problema en crear una colección de objetos de tamaño nanométrico:cables, tubos, cinturones e incluso estructuras con forma de árbol. Lo que a veces no han podido hacer es explicar con precisión cómo se forman esos objetos en los calderos de vapor y líquido en los que están hechos.
Ahora, un equipo dirigido por el químico Song Jin de la Universidad de Wisconsin-Madison, escribiendo esta semana (23 de abril de 2010) en la revista Ciencias , muestra que un simple defecto cristalino conocido como "dislocación del tornillo" impulsa el crecimiento de nanotubos huecos de óxido de zinc de apenas unas millonésimas de centímetro de espesor.
El hallazgo es importante porque proporciona una nueva visión de los procesos que guían la formación de las estructuras fabricadas más pequeñas, un desafío significativo en nanociencia y nanotecnología. "Creemos que este trabajo proporciona un marco teórico general para controlar el crecimiento de nanocables o nanotubos sin utilizar catalizadores metálicos que pueden ser generalmente aplicables a muchos materiales," "dice Jin, profesor de química de la UW-Madison.
Dichos materiales y las estructuras liliputienses que esculpen los científicos ya han encontrado amplias aplicaciones en cosas como la electrónica, energía solar, tecnología de batería y láser, y detección química y biológica. Al expandir aún más la teoría de cómo se forman las estructuras diminutas, Ahora los científicos deberían poder desarrollar nuevos métodos para producir en masa objetos de tamaño nanométrico utilizando una variedad de materiales diferentes.
Imagen de microscopio electrónico de transmisión de baja resolución que muestra un nanotubo hueco de óxido de zinc. Crédito:Song Jin, Universidad de Wisconsin-Madison
El método descrito por Jin y sus colegas depende de lo que los científicos llaman dislocación de tornillo. Las dislocaciones son fundamentales para el crecimiento y las características de todos los materiales cristalinos. Como su nombre lo indica, estos defectos provocan la creación de escalones en espiral en una cara de cristal que de otro modo sería impecable. Mientras los átomos se posan en la superficie del cristal, forman una estructura sorprendentemente similar en apariencia a las rampas en espiral de las estructuras de estacionamiento de varios pisos. En un trabajo anterior, Jin y su grupo de investigación demostraron que las dislocaciones de los tornillos impulsan el crecimiento de estructuras de nanocables unidimensionales que parecen pequeños pinos. Ese, dice Jin, fue una pista fundamental para comprender la cinética del crecimiento espontáneo de nanotubos.
La clave para comprender cómo aprovechar el defecto para hacer nanoestructuras de manera racional, Jin explica, es saber que a medida que los átomos se acumulan en la superficie de una espiral de dislocación, La tensión asociada con las dislocaciones de los tornillos se acumula en las diminutas estructuras que crean.
Resulta que "hacer que la estructura sea hueca y hacer que se tuerza son dos buenas formas de aliviar tal tensión y estrés, Jin explica. En algunos casos, la gran energía de deformación por dislocación del tornillo contenida dentro del nanomaterial dicta que el material ahueque su centro alrededor de la dislocación, resultando así en la formación espontánea de nanotubos ".
Una ilustración esquemática que muestra la formación de nanotubos impulsados por dislocaciones de tornillos. Crédito:Song Jin, Universidad de Wisconsin-Madison
El fenómeno descrito en el nuevo trabajo de Wisconsin difiere de manera significativa de los mecanismos tradicionales de fabricación de nanoestructuras huecas. Los científicos ahora usan plantillas para "moldear" nanotubos o, alternativamente, un proceso de difusión para convertir un material en otro con un núcleo hueco. Se fabrican nanotubos de carbono, esencialmente, enrollando una sola capa de átomos de carbono con patrón de panal.
Los fenómenos descritos por el equipo de Wisconsin, Jin agrega, debería aplicarse a materiales más allá del óxido de zinc:"La comprensión de la formación de nanotubos ciertamente nos ayudará a comprender los fenómenos relacionados en otros materiales".
Refinado, el nuevo conocimiento podría, en última instancia, convertirse a gran escala, Producción de nanomateriales a bajo coste para una amplia gama de aplicaciones. Más prometedor, dice Jin, es el área de la energía renovable donde se pueden desplegar grandes cantidades de tales materiales para convertir la luz solar en electricidad, y proporcionar nuevas materias primas para electrodos de batería y dispositivos termoeléctricos.
