Nanocristales intermetálicos (imágenes de microscopio electrónico) hechos de diferentes combinaciones de metales. La barra blanca indica 10 nanómetros. Crédito:Grupo de Química y Diseño de Materiales
Los investigadores de ETH han logrado producir nanocristales hechos de dos metales diferentes mediante un proceso de amalgama mediante el cual un metal líquido penetra en uno sólido. Esta técnica nueva y sorprendentemente intuitiva hace posible producir una amplia gama de nanocristales intermetálicos con propiedades personalizadas para diversas aplicaciones.
Los nanocristales son esferas de tamaño nanométrico que consisten en átomos dispuestos regularmente. Debido a sus ventajosas propiedades, están aumentando en varias tecnologías. Nanocristales semiconductores, por ejemplo, se utilizan en pantallas de televisión de nueva generación. Más recientemente, los llamados nanocristales intermetálicos, en el que dos metales diferentes se combinan para formar una red cristalina, se han hecho un nombre ya que prometen aplicaciones mejoradas y únicas. Esas aplicaciones van desde la catálisis hasta el almacenamiento de datos y la medicina.
En teoria, hay decenas de miles de posibles combinaciones de metales que podrían formar tales nanocristales, con un número correspondientemente grande de propiedades de material diferentes. Hasta aquí, sin embargo, Solo ha sido posible hacer nanocristales a partir de unos pocos pares de este tipo. Un equipo de investigadores de ETH Zurich dirigido por Maksym Yarema y Vanessa Wood en el Instituto de Electrónica ha desarrollado una nueva técnica que, en principio, permite realizar casi todas las combinaciones posibles de nanocristales intermetálicos. Sus resultados fueron publicados recientemente en la revista científica Avances de la ciencia .
Método sorprendentemente intuitivo
"Nuestro método es simple e intuitivo, tan intuitivo, De hecho, que nos sorprendió que nadie hubiera tenido esta idea antes que nosotros, "dice Yarema. En los procedimientos convencionales para producir nanocristales hechos de un solo metal, los átomos de metal se introducen en forma molecular, por ejemplo como sales, en una solución en la que se forman los nanocristales. "En teoría, eso también se puede hacer con dos metales diferentes, pero en la práctica es difícil, o incluso imposible, combinar metales claramente diferentes en el reactor, "Yarema explica. Por lo tanto, los científicos de la ETH recurrieron a un procedimiento que se ha utilizado durante siglos:la fusión, un tipo particular de fusión o mezcla de metales.
Metales líquidos
Las amalgamas son particularmente conocidas en odontología, donde se utilicen como material de relleno, y también de la minería de oro. En ambos casos, se agrega mercurio líquido para disolver otros metales (para empastes dentales, una mezcla de cobre, zinc y plata). Sin embargo, La amalgama también funciona con cualquier otro metal líquido. Además del mercurio, que es líquido incluso a temperatura ambiente, hay varios metales con puntos de fusión relativamente bajos, como galio (30 grados centígrados), indio (157 grados) o estaño (232 grados).
El proceso de producción de un nanocristal intermetálico (fila superior:esquema, fila inferior:imágenes de microscopio electrónico). A la solución que contiene nanocristales del primer material (izquierda), el segundo metal ("M") se agrega como una amida y posteriormente se acumula como un líquido en los nanocristales (centro). La fusión finalmente da como resultado nanocristales intermetálicos (derecha). Crédito:CMD
Enfoque de fusión para nanocristales
Yarema y sus colegas utilizan el enfoque de fusión a nanoescala. La reacción comienza con la dispersión de nanocristales que contienen un solo metal, por ejemplo plata. Luego, los átomos del segundo metal, digamos, galio:se agregan en forma molecular (en este caso como amidas, un compuesto de carbono, hidrógeno, y nitrógeno), mientras que la mezcla se calienta a unos 300 grados.
Inicialmente, la alta temperatura hace que los enlaces químicos en la amida de galio se rompan, permitiendo que el galio líquido se acumule en los nanocristales de plata. Ahora, comienza el proceso de fusión real, durante el cual el galio líquido se infiltra en la plata sólida. Con el tiempo se forma una nueva red cristalina, en el que eventualmente se disponen regularmente átomos de plata y galio. Entonces todo se vuelve a enfriar, y después de diez minutos los nanocristales están listos. "Estamos asombrados de lo eficiente que es la fusión a nanoescala. Tener un componente de metal líquido es la clave para una aleación rápida y uniforme dentro de cada nanocristal, "dice Yarema.
Proceso controlable
Usando la misma técnica, los investigadores ya han producido diferentes nanocristales intermetálicos como el oro-galio, cobre-galio y paladio-zinc. El proceso de fusión en sí se puede dirigir con precisión. A través del número de átomos secundarios, introducido en la solución como amidas, la proporción de metales en los nanocristales se puede controlar con precisión. Tomando el ejemplo de oro-galio (símbolos químicos Au y Ga), los investigadores han demostrado que de esta forma se pueden producir nanocristales con proporciones muy diferentes, como 1:2 (AuGa 2 ), 1:1 (AuGa) o 7:2 (Au 7 Georgia 2 ). El tamaño de los nanocristales intermetálicos finales también se puede predecir con precisión a partir del tamaño de los nanocristales iniciales y el aumento de tamaño debido al segundo metal.
Nanocristales a medida para aplicaciones
Los investigadores anticipan un gran potencial para aplicaciones tecnológicas debido a la controlabilidad exacta de la composición y tamaño de los nanocristales junto con la posibilidad de combinar los metales casi a voluntad. "Debido a que la síntesis de amalgama de nanocristales permite tantas composiciones nuevas, no podemos esperar a verlos trabajar en una catálisis mejorada, plasmónicos o baterías de iones de litio, "dice Yarema. Catalizadores hechos de nanocristales, por ejemplo, se pueden adaptar y optimizar con precisión para un proceso químico particular que se supone que deben acelerar.
